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拱坝在水压力下开裂的数值模拟

靳旭  
【摘要】:拱坝在现代水利水电工程建设中占有重要地位,其拥有受力合理、承载能力高、造价低等优点,越来越多地受到工程师的青睐。在施工过程中,拱坝结构由于混凝土温度变化而产生一定的应力,致使坝体产生变形,逐步发展成裂缝;在建成使用期,由于自然条件的原因,如周围温度、湿度的变化,致使混凝土结构产生开裂。总之,混凝土材料本身的性质决定了拱坝结构或多或少存在裂缝缺陷。因此,对拱坝结构开裂的研究显得尤为重要。本文从以下几方面内容展开: (1)本文总结了国内外拱坝发展状况,近几年拱坝向高、薄方向发展,传统的拱坝设计准则已不能完全满足安全要求,因此,通过数值分析方法对拱坝开裂等问题进行研究。介绍了当今对含裂缝拱坝研究的常用几种方法,本文采用扩展有限元法对拱坝开裂进行研究。 (2)介绍了断裂力学的相关知识。包括断裂力学的产生及发展,断裂力学的重要参量,相关的断裂判断准则。实际工程多以复合裂纹状态出现,本文采用最大轴向拉应力准则作为拱坝裂缝开裂的判据。 (3)应用软件CATIA建立几何模型。CATIA拥有较强的曲线、曲面功能,用曲线函数、多截面等命令完美地建立双曲拱坝三维坝体—地基系统模型,保证了后面有限元开裂分析能顺利进行。 (4)借助ABAQUS平台实现裂缝开裂。裂纹开裂扩展是高度非线性问题,对模型、求解要求极高。ABAQUS拥有强大的非线性分析能力,本文以地应力平衡,应力强度因子的计算说明计算求解的精确性。采用ABAQUS中扩展有限元法实现拱坝裂缝在水压力下的扩展。 (5)利用所建立的沙老河双曲拱坝模型进行应力分析,结果表明:在水压力作用下,含裂缝拱坝受力性能发生了改变,应力不能很好的传递给坝肩,而是更多的集中在坝体上,尤其是裂缝及坝身四周区域。分别对左坝段、右坝段的竖向裂缝进行了受力分析,左坝段受力情况较理想,即便出现裂缝也只是微扩展,对坝体安全威胁不大,而右坝段裂缝易扩展;当裂缝从坝体表面向下游裂开长度小于0.5米,坝体表面裂开长度小于2米,坝体较安全。对坝体中间段水平裂缝进行了受力分析,裂缝向下游裂开长度达到3米,坝体表面裂开长度达到15米,坝体处于危险状态,应当采取适当补救措施。


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