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《河海大学》 2002年
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高拱坝设计中的有限单元法实用化研究

温召旺  
【摘要】: 随着西部大开发的实施,为了充分利用现有的自然资源,我国将在水力资 源丰富的西南地区修建一批高拱坝。因其受力特征、几何形状、边界条件等均 较复杂,所以,高拱坝在正常荷载作用下的安全度,无疑是工程设计人员所关 心的主要课题。 目前,拱坝坝体应力状态的获得有数值分析和模型试验两种方法。出于这 两种方法各自存在自身的局限性,所以在对象高拱坝这种重要的水工建筑物进 行应力、应变以及安全度分析时,一般要同时采用数值分析和模型试验两种方 法对结果加以验证。 有限元法分析拱坝坝体应力可以较方便地考虑复杂地基条件和坝体施工过 程的影响,但是由于弹性状态下拱坝坝踵、坝趾处受荷载后的应力集中现象, 而且其数值受网格尺寸影响较大,因此至今无与之相应的设计准则。朱伯芳院 士、傅作新教授提出的等效应力法概念为有限元法实用化提供了一条有效的 途径,但如何合理求解坝体等效应力仍存在一定的问题。为此,本文提出了有 限元内力法,该方法是根据常规有限元法的分析结果,利用拱和梁的内力平衡 条件求解拱梁内力,然后求解坝体等效应力。算例结果表明,该方法的计算结 果比较稳定,等效应力值受网格尺寸的影响较小,为有限单元法在拱坝设计 中的应用提供了一条可靠的途径。 拱坝在施工期和运行期经常会出现裂缝,如何合理、有效地模拟裂缝的形 成和发展过程是一大难题。有限元法理论上可对此进行仿真模拟,但合理的结 果要求网格尺寸非常小。而出于计算机容量的限制,采用常规的协调网格进行 开裂仿真分析是不可能的。为此,本文提出了局部非协调网格的协调位移解 法,该方法在不影响计算结果精度的情况下,可使得结构网格较密,而其它部 位网格较稀疏,这样可以大大减少网格的结点数和单元数。 此外,本文对溪洛渡高拱坝进行了应力模型试验研究,给出了试验得到的 应力、变位结果。同时用本文所介绍的方法对该拱坝进行了计算分析,并把计 算结果与模型试验结果进行了比较,起到相互验证作用。
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