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高混凝土拱坝的数值模拟及可靠度研究

黄连娣  
【摘要】:拱坝是一种既经济又安全的坝型,以结构合理和体型优美而著称。在拱坝应力分析中,传统的计算方法是拱梁分载法,但随着计算机的发展,有限单元法不仅可以考虑对拱坝多种复杂因素的影响,更符合实际工程情况,其计算速度还远比传统方法快。ANSYS是一种大型的商业通用有限元计算软件,它的程序功能强大,具有强大的实体建模和划分网格工具、强大的求解器以及方便的后处理器,本文将其用于某拱坝进行分析。在高拱坝的设计计算中,毫无疑问,地震荷载是不容忽视的,工程的抗震能力是确保安全的关键要素。因此,本文基于ANSYS采用有限元法对高混凝土拱坝的应力和位移做了分析。 衡量拱坝的安全,通常采用传统意义上的安全系数法,坝的安全系数是以试载分析法或相应的电算程序为依据,然而这种分析方法忽视了相关荷载以及拱坝承载力的随机性,安全系数的概念也是很明确。采用以概率论和数理统计为基础的可靠度分析,可以克服以上缺点。结构可靠度是指结构或构件在规定的时间内、规定的条件下完成预定功能的概率。可靠度设计是在承认结构有失效(或破坏)的可能性的前提下进行的,在结构可靠度问题中,主要是强度的可靠度问题,它是从结构材料强度大于荷载引起的应力的概率着手,而不是用一个笼统的安全系数来考虑。拱坝结构自身和工作条件均很复杂,涉及的随机变量较多,极限状态函数一般都是随机变量的高度非线性隐式函数,因此,目前很难准确计算它的可靠指标,本文提出了结合神经网络和粒子群优化计算拱坝可靠度的算法。 论文以大岗山拱坝为分析对象,采用有限单元法,开展了对拱坝的系统分析,在前人研究的基础上,主要进行了以下两方面的工作: 1、选择工程实例,在线弹性情况下,利用ANSYS的APDL二次开发语言实现了三维拱坝的动水压力模型,对高混凝土拱坝在基本静力荷载、温度荷载以及地震作用下的应力和位移做了分析,结果显示坝踵区域产生了较大的拉应力,因而实际坝工中坝踵位置产生裂缝是常见的。对于分缝拱坝,初步用接触单元实现了拱坝在静力荷载作用下的探讨。 2、针对重大拱坝结构可靠度分析的需要,根据结构可靠度理论,可靠指标的求解归结为目标函数在等式约束下的最小值求解,通过罚函数法将约束最优化问题转化为无约束最优化问题,利用粒子群优化算法求解这个无约束最优化问题。首先,用大型通用结构分析软件ANSYS对拱坝进行分析得到多组随机变量对应的功能函数;接着,用随机变量和对应的功能函数作为训练样本对神经网络进行训练,得到高度非线性映射关系的模型;最后用上述可靠度计算方法在MATLAB平台上实现了拱坝的可靠度计算。


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