（水工結(jié)構(gòu)工程專(zhuān)業(yè)論文）基于ANSYS的丹江口大壩加高結(jié)構(gòu)性態(tài)及溫度應(yīng)力研究.pdf

摘要 本文圍繞大壩加高中存在的問(wèn)題 結(jié)合丹江口大壩加高工程 運(yùn)用大型有限元計(jì)算 軟件a n s y s 從理論和實(shí)踐上系統(tǒng)地研究了混凝土重力壩加高中的新老混凝土結(jié)合 溫 度場(chǎng)和溫度徐變應(yīng)力場(chǎng)等問(wèn)題 主要內(nèi)容如下 1 在熟悉國(guó)內(nèi)外大壩加高研究資料的基礎(chǔ)上 對(duì)國(guó)內(nèi)外大壩加高的情況作了初步 統(tǒng)計(jì) 總結(jié)了國(guó)內(nèi)外進(jìn)行大壩加高特別是重力壩加高的原因以及一般形式 并對(duì)混凝土 重力壩加高中普遍存在的問(wèn)題 如新老混凝土結(jié)合 溫度徐變應(yīng)力等 進(jìn)行了探討 2 理論分析和工程實(shí)踐均已證明 壩體加高將對(duì)老壩體的結(jié)構(gòu)應(yīng)力帶來(lái)較大的影 響 本文運(yùn)用a n s y s 中死活單元的功能 考慮加載歷程的影響 真實(shí)模擬丹江口大壩分 期施工和壩體一次性建成的情況 研究了兩種不同加高方式對(duì)壩體應(yīng)力的影響 3 研究了國(guó)內(nèi)外新老混凝土結(jié)合面一般采取的措施 針對(duì)丹江口大壩的實(shí)際情 況 采用在壩體下游面鑿鍵槽 輔以水平施工縫的結(jié)合方式 并借助于a n s y s 強(qiáng)大的接 觸功能 研究了新老混凝土結(jié)合面不同縫寬 新老混凝土不同彈模給新老混凝土結(jié)合面 狀態(tài)及壩體應(yīng)力帶來(lái)的影響 4 論述了大體積混凝土溫度場(chǎng)及徐變應(yīng)力場(chǎng)有限元計(jì)算的一般理論 以及a n s y s 中的熱應(yīng)力分析 對(duì)a n s y s 中的溫度場(chǎng)及徐變應(yīng)力計(jì)算進(jìn)行了一定的研究 通過(guò)方法的 改進(jìn) 將其運(yùn)用于丹江口大壩加高的研究 關(guān)鍵詞 大壩加高 新老混凝土結(jié)合 有限元 溫度場(chǎng) 溫度徐變應(yīng)力 熱應(yīng)力分析 a b s t r a c t c o n c e n t r a t e do nt h eq u e s t i o n si nh e i g h t e n i n go fd a m s a n df o c u s e do nt h ep r a c t i c eo f h e i g h t e n i n go fd a n j i a n g k o ud a m q u e s t i o n si nh e i g h t e n i n go fc o n c r e t eg r a v i t yd a m sw e r e s y s t e m a t i c a l l ys t u d i e ds u c ha sc o n n e c t i o no fn e wa n do l dc o n c r e t e t e m p e r a t u r ef i e l d a n d t h e r m a lc r e e ps t r e s sf i e l db yu s i n go fl a r g ef e ms o f t w a r ea n s y si nt h e o r ya n dp r a c t i c e n em a i nc o n t e n t so f t h i st o p i ea r e 鵲f o l l o w i n g s 1 b a s e do nt h ei n f o r m a t i o no fh e i g h t e n i n go fd a m sa l lo v e rt h ew o r l d s t a t u so f h e i g h t e n i n go fd a m st h r o u g h o u tt h ew o r l d w e r ei n i t i a l l ys t a t e d w h a ti sm o r e t h er e a s o n sa n d c o m m o nf o r m so fh e i g h t e n i n go fd a n l s e s p e c i a l l yo fg r a v i t yd a r n sa l lo v e rt h ew o r l da r e s u m m a r i z e d a n du b i q u i t o u sq u e s t i o n si nh e i g h t e n i n go fc o n c r e t eg r a v i t yd a r n sw e r e d i s c u s s e ds u c ha sc o n n e c t i o no f n e wa n do l dc o n c r e t e t h e r m a lc r e e ps t r e s si nt h i sa r t i c l e 2 i th a v eb e e np r o v e di nt h e o r ya n de n g i n e e r i n gp r a c t i c et h a th e i g h t e n i n go fd a m sw i l l a f f e c ts t r u c t u r es t l s si nt h eo l dd a mt ob i g g i s he x t e n d i nt h i sa r t i c l e c o n s i d e r i n gt h ee f f e c to f l o a d i n gh i s t o r y b ym a k i n gu s eo ft h ef u n c t i o no fk i l l i n ga n da c t i v a t i n ge l e m e n t si na n s y s s t a t u so fc o n s t r u c t i o nb ys t a g e sa n ds i m p l ec o n s t r u c t i o no fd a n j i a n g k o ud a mw e r et r u l y s i m u l a t e d a n dt h ee f f e c to nd a ms t r e s sb yt h et w od i f f e r e n tw a y sw a ss t u d i e d 3 g e n e r a lm e a s u r e so fi n t e r f a c eb e t w e e nn e wa n do l dc o n c r e t et h r o u g h o u tt h ew o r l d w e r es t u d i e d a i m i n ga tt h ef a c to fh e i g h t e n i n go fd a n j i a n g k o ud a m a n dt a k i n gc u r v i n gk e y g r o o v e so nt h ed o w n s t r e a mf a c ea sp r i m a r yt y p e sa n dh o r i z o n t a lc o n s t r u c t i o nj o i n t sa s s e c o n d a r yo n e s t h ee f f e c to nd a ms t r e s sb yd i f f e r e n tw i d t ho f j o i n t so nt h ei n t e r f a c eb e t w e e n n e wa n do l dc o n c r e t ea n dd i f f e r e n tm o d u l u so f e l a s t i c i t yo f n e wa n do l dc o n c r e t ew a ss t u d i e d i nv i r t u eo f p o w e r f u lc o n t a c tf u n c t i o no f a n s y s 4 g e n e r a le e mt h e o r yo ft e m p e r a t u r ef i e l da n dt h e r m a lc r e e ps t r e s sf i e l do fm a s s i v e c o n c r e t e t o g e t h e rw i t ht h et h e o r yo f t h e r m a ls t r e s sa n a l y s i si na n s y sw e r ee x p o u n d e d a n d t h ec a l c u l a t i o no f t e m p e r a t u r ef i e l da n dc r e e ps t r e s si na n s y sw 鵲s t u d i e d t h e nt h em e t h o d s w e r ei m p r o v e do na n dw e r eu s e di nt h es t u d yo nh e i g h t e n i n go f d a n j i a n g k o ud a m k e y w o r d s h e i g h t e n i n go fd a m s c o n n e c t i o no fn e wa n do l dc o n c r e t e f e m t e m p e r a t u r e f i e l d t h e r m a lc r e e ps t r e s s t h e r m a ls e g 嚕s sa n a l y s i s i i 學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人所呈交的學(xué)位論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工 作及取得的研究成果 盡我所知 除了文中特別加以標(biāo)注和致謝 的地方外 論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果 與我一同工作的同事對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了 明確的說(shuō)明并表示了謝意 如不實(shí) 本人負(fù)全部責(zé)任 論文作者 簽名 立孚盤(pán)毫l 年月目 學(xué)位論文使用授權(quán)說(shuō)明 河海大學(xué) 中國(guó)科學(xué)技術(shù)信息研究所 國(guó)家圖書(shū)館 中國(guó)學(xué) 術(shù)期刊 光盤(pán)版 電子雜志社有權(quán)保留本人所送交學(xué)位論文的復(fù) 印件或電子文檔 可以采用影印 縮印或其他復(fù)制手段保存論文 本人電子文檔的內(nèi)容和紙質(zhì)論文的內(nèi)容相一致 除在保密期內(nèi)的 保密論文外 允許論文被查閱和借閱 論文全部或部分內(nèi)容的公 布 包括刊登 授權(quán)河海大學(xué)研究生院辦理 論文作者 簽名 年月日 河海大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 1 1 國(guó)內(nèi)外的大壩加高現(xiàn)狀 世界上已建成數(shù)量眾多的壩 隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展 原來(lái)的水資源工程已經(jīng)滿足不了社 會(huì)對(duì)水資源迅速增長(zhǎng)的需求 這就需要開(kāi)發(fā)新的水資源工程 包括建造新壩或者在原來(lái) 的基礎(chǔ)上對(duì)老壩進(jìn)行加高 同新建壩相比 大壩加高的工程量較小 且地質(zhì)問(wèn)題相對(duì) 較少 還可以使水庫(kù)的庫(kù)容有較大的增加 大壩加高在經(jīng)濟(jì)性方面具有很大的優(yōu)越性 所以大壩的加高越來(lái)越成為工程師的首選 國(guó)外的大壩加高有著悠久的歷史 早在1 9 0 0 年以前 國(guó)外就對(duì)部分大壩進(jìn)行了加 高 如西班牙的a l m a n s a 壩 意大利的p o n t a l t o 壩 澳大利亞的p a r r a m a t a 壩 瑞士 的g r a n dd i x e n c e 壩 美國(guó)的r o s s 壩等 2 0 世紀(jì)初期 隨著筑壩技術(shù)的發(fā)展 埃及的 a s w a n 壩 美國(guó)的l a k es p a u l d i n g 壩等進(jìn)行了加高 1 9 2 0 1 9 3 0 期間 隨著大壩加高 技術(shù)日趨完善 西班牙又對(duì)a r i g u i s 壩 c i e n f u e n s 壩進(jìn)行了加高 美國(guó)也對(duì)o k l a h o m a 壩進(jìn)行了加高 同時(shí)埃及對(duì)a s w a n 大壩又進(jìn)行了一次加高 到1 9 3 0 年后 大壩加高的 優(yōu)越性進(jìn)一步表現(xiàn)出來(lái) 世界上許多國(guó)家開(kāi)始采用這種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的筑壩方式 迄今為止 世界上已有上百座大壩進(jìn)行了加高 被加高大壩的類(lèi)型也變得多種多樣 其中主要包括 土石壩 面板堆石壩 拱壩以及重力壩等 加高高度從幾米到幾十米不 等 國(guó)外已經(jīng)加高或正在加高的大壩的情況如表卜1 所示 表卜1國(guó)外大壩加高的情況匯總 壩名壩型原壩壩高 m 加高高度 所在國(guó)家 k u r o b e 拱壩一重力壩 1 2 06 8 日本 p r e r a拱壩一重力壩7 36 5意大利 t o u l e s 拱壩 2 65 9 瑞士 g u r i重力壩1 l o5 2委內(nèi)瑞拉 s t e t t y n s k l o o f重力壩 3 04 5 南非 s h i n n a k a n o重力壩5 3 54 1 4日本 a 1w e h d a h 面板堆石壩 1 0 04 0 約縣 f o r t u n a堆石壩6 04 0巴拿馬 c a n c a n o拱壩 1 3 73 6 意大利 p u e n t e sv i e j a s 重力壩 2 83 6西班牙 l a g e s重力壩 3 2 2 8巴西 m a r u y a m a重力壩 9 82 5 日本 v e r n a g o 土壩 4 0 2 5 意大利 0 s h a u g n e s s y拱壩一重力壩 1 0 52 4 美國(guó) 第一章緒論 r o o s e v e l t 重力壩 8 5 32 3 5美國(guó) m a r s h a l lf o r d重力壩 6 02 3 美國(guó) c m c a m b a拱壩 5 5 2 0葡萄牙 k o r n a 重力壩 8 11 9 印度 b h a t g a r 重力壩 2 7 1 8 印度 b o y d ec o r n e r s重力壩 1 81 8 美國(guó) w e l l i n g t o n 重力拱壩1 81 7 澳大利亞 k a w a k a m i 重力壩 4 6 51 6 5 日本 s e h w a m m e n a u e l土壩5 41 6德國(guó) k i n gl a l a l 土壩i 0 01 5 約旦 c a d i l l a l 支墩壩 6 0 1 5 阿根廷 s a b b i n e 支墩壩 6 01 5 意大利 k s o b 連拱壩 3 2 1 5阿爾及利亞 s a k u r a y a m a重力壩 2 51 5 日本 k a y a z e重力壩5 11 4 5日本 v a d o e 1 重力壩5 31 4 西班牙 m o n t g o m e r y堆石壩 3 41 4 美國(guó) m a u v o i s i n拱壩2 3 71 3 5 瑞士 o u l e 重力壩 3 8 1 3法國(guó) b a l c h 拱壩2 91 3 美國(guó) b o l a r q u e重力壩 2 3 1 3西班牙 l l y s y f r a m土石壩 3 2 5 1 2 5英國(guó) m o n tl a r r o n 拱壩 2 01 2 法國(guó) g i r o t t e 連拱壩4 81 1法國(guó) m a r a f a 支墩壩 2 11 l 美國(guó) k o y a g a w a 重力壩4 1l o 5日本 k u r o d a 重力壩 3 5 1 0 2日本 m u n d a r i n g 重力壩6 01 0 澳大利亞 o d o m a r i 重力壩 6 0 1 0日本 e n n e p e重力壩 4 4l o 德國(guó) r o s e i r e s支墩壩4 21 0蘇丹 m u l l h o l l a n d 重力壩一土壩 6 3 9美國(guó) l o s k o p重力壩4 29 南非 b u r g o m i i l o d o支墩壩 2 6 9西班牙 一2 河海大學(xué)碩士學(xué)位論文 p i n e v i e w土石壩 1 9 9美國(guó) b r i s t 0 1支墩壩 1 79 美國(guó) a y e r si s l a n d支墩壩 1 59 美國(guó) r i u d e c a n y e s 曲重力壩 4 1 58 5 西班牙 r o d r i g u e z支墩壩 7 3 8墨西哥 g u a d a l m e l l a t o重力壩5 68 西班牙 v e n c i a s l a s 拱壩 2 58 西班牙 b e n ib a h d e l連拱壩5 77 阿爾及利亞 h a r v e y重力壩1 57 澳大利亞 a l m a n s a重力壩1 47 西班牙 l l a r d o c h 重力壩 3 5 76 1 英國(guó) h a b r a重力壩3 56 阿爾及利亞 c a m p o e f r i o重力壩 2 86 西班牙 e s c a r a支墩壩 7 1 5 阿根廷 p o s s u mk i n g g g d o n 支墩壩 5 85 美國(guó) m i k a w a重力壩 4 8 5 日本 a l a m og o r d o 土壩一堆石壩 4 35 美國(guó) g u a y a b a l支墩壩 3 7 3 波多黎各 b o y s e n支墩壩 1 25 美國(guó) a r g u is重力壩 2 2 4 5 4 8 5西班牙 o k l a h o m a 支墩壩 1 64 6 美國(guó) s h i r a k a w a 土石壩 2 5 54 5 日本 d o i r a s重力壩9 44 玨班牙 m i n g u e t c h a o u r s k土壩 7 6 4阿塞拜疆 a v o n重力壩2 94 英國(guó) t o r r ed e la g u i l a 土壩 2 54 西班牙 m o s v a n n 重力壩 1 64 挪威 m o u n tu n i o n支墩壩 1 5 4美國(guó) p a r r a m a t a 拱壩一重力壩 1 2 53 3 澳大利亞 s h i r a w t a重力壩 3 9 3印度 l a g o ac o m p r i d a重力壩 2 53 葡萄牙 a r d m o r e支墩壩1 43美國(guó) l e n n e p支墩壩 1 13 德國(guó) s l e ye s e a l e支墩壩一土壩1 i3 美國(guó) 3 第一章緒論 u t i c a 支墩壩 93 美國(guó) b e n b o w支墩壩 73 美國(guó) c h o r r o 重力壩 8 02西班牙 j o r d a n支墩壩 3 82 加拿大 s t e e n b r a s重力壩3 02南非 m a t h i s 支墩壩 2 72 美國(guó) s p a r t a m b u r g支墩壩 1 52 美國(guó) m o n r o e 支墩壩82美國(guó) e 1i z a b e t h 支墩壩 42 美國(guó) c o a m o 支墩壩 1 7 l波多黎各 d a n v i i i e重力壩5l 美國(guó) 由于某種原因 有些大壩還進(jìn)行了多期加高 詳情見(jiàn)表卜2 表卜2 國(guó)外多期加高的大壩情況 壩名壩型原高度 加高高度 m 所在國(guó)家 c i e n f u e n s 重力壩 1 1 1 0 1 0 西班牙 i r a b i a重力壩1 5 1 2 7 6 9西班牙 j a l a p u t重力壩 5 2 3 1 5 印度 s e n n a r 重力壩一土壩6 0 0 3 0 5蘇丹 t a n s a 重力壩一堆石壩 3 6 3 2 印度 t e h u a n t e p e c支墩壩 3 0 9 2 1 墨西哥 p o n t a i t o拱壩5 1 3 7 9 4 意大利 a s w a n 重力壩3 0 5 1 5 5埃及 l a k es d a u l d i n g拱壩6 8 6 1 0 7 4 6 8 3 9 美國(guó) g r a n d ed i x e n c e 重力壩 1 8 2 4 2 3 0 3 0 瑞士 r o s s 拱壩 9 3 5 6 5 3 5 i 4 0 4 美國(guó) r i n g e d a l 重力壩1 1 4 1 9 挪威 我國(guó)是世界上建壩較多的國(guó)家 迄今為止已建成上萬(wàn)座大小不等的壩 這些壩為我 國(guó)的工農(nóng)業(yè)的發(fā)展起到了很大的促進(jìn)作用 在二十世紀(jì)八十年代以前 由于技術(shù)落后 經(jīng)驗(yàn)不足和經(jīng)濟(jì)上的局限性 我國(guó)有近 三分之一的土石壩 只有著較低的設(shè)計(jì)洪水位 不滿足更新了的防洪標(biāo)準(zhǔn) 考慮到壩體 失事會(huì)給國(guó)家和人民帶來(lái)巨大的危害 我國(guó)相繼采取措旋 對(duì)部分土石壩進(jìn)行了加高加 固處理 近年來(lái) 由于國(guó)家對(duì)水電能源及水資源的巨大需求 在著手建筑一批新的高壩 如 三峽 二灘 的同時(shí) 又對(duì)一批重力壩進(jìn)行了加高 其中有四川龔嘴大壩 大連市郊的 河海大學(xué)碩士學(xué)位論文 英那河大壩 湖北丹江口大壩等 具體的大壩加高情況如表卜3 所示 表t 3國(guó)內(nèi)大壩的加高情況 壩名壩型原壩高度 m 加高高度 m 所在地 官?gòu)d水庫(kù)大壩土石壩 4 57北京 冊(cè)田水庫(kù)大壩土石壩4 1 7 7 山西 松華水庫(kù)大壩土石壩 4 81 4 云南 岳城水庫(kù)大壩土石壩5 32 5河北 李家箐水庫(kù)大壩土石壩 2 41 1 i 帛 龔嘴大壩混凝土重力壩8 5 56 4 5四川 英那河大壩 漿砌石重力壩 2 81 5遼寧 丹江口大壩混凝土重力壩 9 7 1 4 6湖北 1 2 大壩加高的原因 促使大壩加高的原因可能有多種 但主要原因歸結(jié)為兩點(diǎn) 被迫的加高和可選擇的 加高 1 1 1 2 1 被迫的加高 所謂被迫加高是指大壩由于某些原因 不得不進(jìn)行加高 大壩的被迫加高可能由以 下幾種原因造成 1 為了加固 由于初期設(shè)計(jì)上的錯(cuò)誤 大壩建成后 實(shí)際荷載可能會(huì)使壩體失穩(wěn) 對(duì)于重力壩 抗滑穩(wěn)定性不足的壩段需要加重 同時(shí)應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的加高 比如印度的 t a n s a s h i r a w t a 壩等 2 修補(bǔ) 無(wú)設(shè)計(jì)上錯(cuò)誤 但不充分的施工將導(dǎo)致壩的修補(bǔ) 如印度的t a n s a 壩 在施工中使用了劣質(zhì)材料 挪威的m o s v a n n 壩 對(duì)可能的危害估計(jì)不足 采用了不充分 的預(yù)防措施 最終都導(dǎo)致了壩的修補(bǔ) 同時(shí)作了一定的加高 3 數(shù)據(jù)的重新評(píng)估 原設(shè)計(jì)中的不充分的水力學(xué)數(shù)據(jù)被后來(lái)的觀測(cè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)所糾 正 例如以防洪為主要目的水庫(kù) 對(duì)大壩進(jìn)行一定的加高來(lái)增加庫(kù)容 減緩過(guò)量的洪峰 4 淤積 當(dāng)淤積充分減少庫(kù)容或完全填滿庫(kù)水庫(kù)時(shí) 大壩也可能會(huì)失去作用 從 某種意義上講 淤積是水庫(kù)的一種自然地理災(zāi)害 也是它們蓄水實(shí)用性的最大敵人 為 了使大壩重新發(fā)揮經(jīng)濟(jì)效益 必須對(duì)大壩進(jìn)行加高 5 需求的增長(zhǎng) 有時(shí)候不能獲得好的壩址來(lái)建造新壩 對(duì)于社會(huì)對(duì)水資源日益增 長(zhǎng)的需求 將原有壩進(jìn)行加高是個(gè)較好的解決方法 1 2 2 可選擇的加高 所謂可選擇性的加高是指對(duì)壩體進(jìn)行加高只是作為一種可供選擇的筑壩方式 第一章緒論 隨著人類(lèi)人口的增多 經(jīng)濟(jì)的發(fā)展 人們對(duì)工農(nóng)業(yè)用水 能源的需求越來(lái)越大 水 電同火電 核電相比 有著成本低 污染少等不可替代的優(yōu)越性 因而 最大程度地利 用原壩址 使其發(fā)揮最大的經(jīng)濟(jì)效益就成為人們選擇對(duì)大壩進(jìn)行加高的原因 另外 為了節(jié)約周轉(zhuǎn)資金 減少施工年限 使工程提前發(fā)揮經(jīng)濟(jì)效益 也是選擇分 期施工的重要原因 1 3 大壩加高的方式和措施 根據(jù)不同的目的和工程條件 對(duì)大壩進(jìn)行加高的主要措施有 1 大壩加高包括在老規(guī)上直接加高和在老壩的上游或下游新建 座壩 2 新增和改善泄洪設(shè)旌 根據(jù)被加高大壩的不同種類(lèi) 大壩加高所采用的方式又有所不同 下面以土石壩 面板堆石壩 拱壩 重力壩為例加以說(shuō)明 1 3 1 土石壩 土石壩包括土壩和堆石壩 在大壩加高中較為常見(jiàn) 通常情況下 土石壩加高的高度較小 一般為1 3 m 使用與原壩材料一致的填筑 材料 采用稍陡的邊坡 直接將壩體加高到需要的高程 圖1 1 某土石壩的加高 有時(shí) 為了發(fā)電與供水需求 也會(huì)對(duì)土石壩進(jìn)行大幅度加高 這時(shí)不僅要在原壩的 下游面鋪筑大量的填筑材料 而且要將壩的防滲 墻加高到一定高度 如圖1 1 所示為某土石壩的 加高 1 3 2 面板堆石壩 面板堆石壩是將澆筑在壩體上游面的混凝土 面板作為防滲墻的堆石工程 面板堆石壩的加高 一般是在壩下游坡面鋪筑堆石的同時(shí) 以原坡率 或更合適的坡率將上游混凝土面板加高到相應(yīng)的 高程 也可以將新面板建在老壩的上游 如圖卜2 所示 圖卜2 某面板堆石壩的加高 河海大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 3 3 拱壩 拱壩是一種經(jīng)濟(jì)性和安全性都很好的壩型 因而世界上拱壩的數(shù)量也是越來(lái)越多 拱壩的加高方式也有多種多樣 最常見(jiàn)的有壩前式 壩后式 直接加高式 新建拱壩等 形式 壩前式是在老壩的上游面建壩并將壩升高的方法 如圖卜3 a 所示 壩后式是在 前期壩下游面建壩并將壩升高的方法 如圖卜3 b 直接加高方式是在拱壩的壩頂直 接澆筑 這種方式比較注重新老混凝土的結(jié)合方式 一般將前期壩頂鑿毛或者鑿成齒狀 如圖卜3 c 所示 如果地形條件或者其他條件允許 可以采用圖i 3 d 所示的在 上游新建一座拱壩的形式 圖卜4 在壩頂加混凝土墻式 圖i 5p u e n t e sv i e a s 壩加高 技術(shù)越來(lái)越成熟 國(guó)內(nèi)外可供參考的加高方式也很多 第一章緒論 1 在壩頂加混凝土墻 對(duì)于只有少量加高度的大壩 由于壩體加高部分所承受的水壓力不大 可以采用壩 頂重力墻的方法 如圖1 4 所示為壩頂加混凝土墻的加高方式 2 直接加高 1 這種加高方式是將老壩壩頂拆除一部分 然后直接在老壩上澆筑新混凝土 直至將 壩頂升高至預(yù)定高程 它一般應(yīng)用于老壩的高度和加高部分的高度都不大的情況 采用 這種加高方式的好處是施工方便 且所需混凝土方 量遠(yuǎn)少于其他加高方式 施工時(shí)壩及水庫(kù)照常運(yùn) 行 受影響較少 如圖1 5 為西班牙p u e n t e sv i e j a s 壩的加高 3 前幫整體式 1 在老壩上游面澆筑前幫混凝土 從壩踵直至老 壩壩項(xiàng) 然后升高 如圖卜6 所示美國(guó)的m a r s h a l l f o r d 壩的加高采用此法 這種加高方式要求放空水 庫(kù) 增筑上游圍堰以便于施工 4 后幫整體式 如圖卜7 所示 這種加高方式是在老壩下游面 a b c d 上澆筑后幫混凝土 逐層澆筑至新壩頂部高程 f g 圖中a b c d 為新老混凝土的結(jié)合面 本方式要 求新老壩體通過(guò)該接觸面聯(lián)結(jié)在一起 共同承擔(dān)外 荷載作用 并應(yīng)滿足新壩f g h k e 的穩(wěn)定要求 這種加高方式應(yīng)用最廣 現(xiàn)今高混凝土壩多采 用這種方式進(jìn)行加高 例如委內(nèi)瑞拉的g u r i 壩 瑞士的g r a n d ed i x e n c e 壩 以及我們所要研究的 丹江口大壩都采用這種方式 5 后幫分離式 1 在后幫分離式加高中 后幫部分壓在老壩下游 面上 起支撐作用 但新老材料的結(jié)合面上用其他 材料如金屬板隔開(kāi) 圖卜8 為a s w a n 壩的加高 這 種方式中 不銹熟鐵板的存在能使外幫部分在各向 自由移動(dòng) 不可能產(chǎn)生破壞性的內(nèi)應(yīng)力 后幫部分 降溫收縮時(shí)可以減小對(duì)老壩的不利彎矩 或減少壩 踵拉應(yīng)力 這種加高方式需要大量的混凝土才能達(dá)到與 后幫整體式相同的穩(wěn)定效果 故較少采用 圖1 7 老壩后幫整體式加高 勰l 三z u 皇 j 1 8 1 m 1 8 1 2 廣 4 j 蛟 薔滲 蟄馨 n 心 圖卜8a s w a n 壩加高5 河海大學(xué)碩士學(xué)位論文 6 預(yù)應(yīng)力鋼索加高 1 預(yù)應(yīng)鋼索加高是在老壩頂部直接澆筑混凝土 將其加高 混凝土中預(yù)埋套管 凝固后即從新壩頂 部架設(shè)鉆孔機(jī) 通過(guò)套管往下鉆孔 鉆穿老壩后 還要鉆入基巖一定深度 以形成鋼索導(dǎo)管 這種方 式將施加了預(yù)拉力的鋼索兩端錨固在壩頂和壩底 鋼索的預(yù)應(yīng)力傳遞到新老混凝土壩體中 使之處于 受壓狀態(tài) 用以抵消或減少水庫(kù)中水荷載帶來(lái)的影 響 從而使新混凝土相當(dāng)于在降低了庫(kù)水位的情況 下與老混凝土結(jié)合 同時(shí)也能起到節(jié)約混凝土量的 作用 該加高方式的好處是造價(jià)低廉 施工速度快 圖卜9h a b r a 壩加高 在一般情況下 工程施工毋須降低水庫(kù)水位 其缺點(diǎn)是對(duì)于大壩這樣的永久建筑物來(lái)說(shuō) 由于錨筋在長(zhǎng)期的蠕變及可能的腐蝕情況下會(huì)喪失預(yù)應(yīng)力 故選擇使用該方法時(shí)應(yīng)非常 慎重 南非的s t e e n b r a s 壩 阿爾及利亞的h a b r a 壩 圖卜9 曾使用此方法并取得了 不錯(cuò)的效果 7 其他加高方式 重力壩的加高方式有多種多樣 對(duì)于多期加高 可以采用多種加高方式相結(jié)合的方 法 圖1 1 0 a 就是其中一個(gè)例子 一般來(lái)說(shuō) 在條件許可的情況下 重力壩的加高 可以靈活地采取各式各樣的方法 例如圖卜1 0 b a 組合一 圖卜1 0 其他加高方式 b 組合二 1 4 混凝土重力壩加高中存在的問(wèn)題 我們所要研究的丹江口大壩 為混凝土重力壩 為此 我們僅把混凝土重力壩作為 研究對(duì)象 混凝土重力壩的加高 工程量大 設(shè)計(jì) 施工技術(shù)也較為復(fù)雜 加高過(guò)程中 難免出現(xiàn)如基巖的承載力 新老混凝土的結(jié)合 壩體的應(yīng)力狀態(tài)等問(wèn)題 這些問(wèn)題 如 第一章緒論 果不妥善解決的話 將影響大壩加高的質(zhì)量 甚至水庫(kù)的安全 其中主要問(wèn)題有 1 基巖的承載力問(wèn)題 在對(duì)被加高大壩的最初設(shè)計(jì)中 只有少數(shù)考慮到了將來(lái)的加高 更多的時(shí)候 最初 設(shè)計(jì)沒(méi)有為后期的加高工作作準(zhǔn)備 這就帶來(lái)了基巖的承載力問(wèn)題 通常情況下 老壩一般選在比較好的基巖上 而大壩加高時(shí) 新壩體的基巖與老壩 體的基巖會(huì)有些差異 大壩加高后 庫(kù)水位的升高將會(huì)使作用在基巖上的荷載大大增加 在預(yù)應(yīng)力加高及后幫整體式中 都對(duì)基巖有著較高的要求 因此 檢驗(yàn)基巖的承載力能 否滿足要求 以及對(duì)基礎(chǔ)作相應(yīng)的處理 都十分重要 2 庫(kù)水位的影響 在進(jìn)行大壩加高施工時(shí) 為確保發(fā)電 供水等功能正常運(yùn)行 必須保持 定的水位 在施工時(shí) 特別是沿老壩下游面分層澆筑混凝土?xí)r 由于混凝土塊在壩下游面的突出 可能導(dǎo)致在壩下游壩趾處產(chǎn)生拉應(yīng)力 如何控制水位來(lái)避免或減少這些有害應(yīng)力 以及 如何控制水位 使在滿足發(fā)電及其他用水需求的情況下 使每層的新老混凝土最有效地 結(jié)合 當(dāng)新壩體施工完成以后 一旦水庫(kù)水位比施工時(shí)的水位降低 新壩體與基巖接觸 面 新老混凝士之間能否有效結(jié)合 這些都是設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮的重要問(wèn)題 3 新老混凝土的結(jié)合問(wèn)題 在進(jìn)行大壩的加高設(shè)計(jì)時(shí) 新老混凝土是按一個(gè)整體來(lái)考慮的 但是 實(shí)際上由于 新混凝土的收縮或膨脹 新壩體完工后庫(kù)水位的抬高等 在新老混凝土結(jié)合面上可能產(chǎn) 生較大的剪切變形 加高重力壩沿結(jié)合面開(kāi)裂主要有下面兩個(gè)原因造成 結(jié)合面強(qiáng)度低 在已運(yùn)行多年的老混凝土上澆筑新混凝土 其結(jié)合面為一個(gè)施工 冷縫 強(qiáng)度一般低于整體澆筑的混凝土 沿結(jié)合面的法向拉應(yīng)力或切向剪應(yīng)力超標(biāo) 引起切向剪應(yīng)力主要是新老混凝土沿 壩坡方向的非同步變形 引起結(jié)合面法向拉應(yīng)力有如下三個(gè)原囡 a 混凝土沿壩坡方向的收縮 該收縮主要在接近老壩壩頂附近的結(jié)合面引起法向 拉應(yīng)力 b 周期性交化的氣溫 氣溫變化會(huì)引起新混凝土在壩坡和壩軸兩個(gè)方向的伸縮 該伸縮會(huì)在結(jié)合面處引起周期性的法向拉 壓應(yīng)力 冬天下游壩面受冷收縮 沿壩坡方 向的收縮會(huì)在接近老壩壩頂附近的結(jié)合面引起法向拉應(yīng)力 沿壩軸方向的收縮會(huì)在壩段 的側(cè)面引起法向拉應(yīng)力 而夏季下游面的膨脹則在壩段的兩側(cè)引起法向壓應(yīng)力 在壩段 中部引起法向拉應(yīng)力 c 混凝土澆筑時(shí)老壩的溫度場(chǎng)與準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng)的差異 若新混凝土在冬季澆筑 則此時(shí)老壩處于低溫收縮 凹曲狀態(tài) 后期老壩溫度上升到準(zhǔn)穩(wěn)定場(chǎng) 壩面恢復(fù)到平展 狀態(tài) 從凹曲到平展的變形會(huì)引起壩段兩側(cè)法向拉應(yīng)力 內(nèi)部法向壓應(yīng)力 夏天低溫季 節(jié)澆筑混凝土?xí)r 老壩處于伸長(zhǎng) 凸曲狀態(tài) 后期溫度下降到準(zhǔn)穩(wěn)定場(chǎng) 壩面恢復(fù)平展 河海大學(xué)碩士學(xué)位論文 狀態(tài) 這種從凸曲到平展的變形會(huì)在壩段內(nèi)部引起法向拉應(yīng)力 兩側(cè)引起法向壓應(yīng)力 新老混凝土的結(jié)合是新老混凝土能否結(jié)合成為一個(gè)整體來(lái)共同抵抗外力的重要因 素 關(guān)系到大壩與水庫(kù)的穩(wěn)定安全 4 下游壩面裂縫問(wèn)題 對(duì)于新澆混凝土來(lái)說(shuō) 老混凝土壩面是一個(gè)強(qiáng)約束面 相當(dāng)于新混凝土一直在強(qiáng)約 束區(qū)施工 新混凝土的收縮會(huì)使老混凝士中產(chǎn)生有害應(yīng)力 同時(shí) 老混凝土的約束也會(huì) 導(dǎo)致新混凝土中產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力 另外 外界氣溫的變化 新混凝土澆筑后老壩溫度的 變化 都會(huì)在下游壩面引起較大的拉應(yīng)力 從而在下游壩面引起水平裂縫或在壩段中間 引起鉛直裂縫 5 壩體應(yīng)力的惡化 一般來(lái)說(shuō) 新混凝土的澆筑是在老壩已經(jīng)承受一定的荷載 變形以及應(yīng)力狀態(tài)下進(jìn) 行的 新混凝土的增加將使壩體的應(yīng)力或多或少地增加 特別是壩踵應(yīng)力的惡化 新澆 混凝土由于水化熱的作用溫度會(huì)升高 后期由于表面散熱將會(huì)下降到準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng) 升 溫時(shí)混凝土齡期短 彈模小而徐變大 且影響僅局限于新澆混凝土附近的局部壩體 不 會(huì)引起太大的壓應(yīng)力 但溫降時(shí)往往壩體己澆筑完成 新混凝土因溫降而收縮 從而在 老壩體上作用了一個(gè)向下的拉力 使壩踵產(chǎn)生附加拉應(yīng)力 另外 加高時(shí)一般不會(huì)放空 水庫(kù) 而是保持一定的運(yùn)行水位 該水位的水壓力將全部由老壩承擔(dān) 新混凝土只分擔(dān) 由加高施工期限制水位到最高水位的增量部分 因此被加高重力壩的老壩會(huì)承擔(dān)更多的 水壓力而使壩踵應(yīng)力惡化 6 不同性質(zhì)新老混凝土之間的相互作用問(wèn)題 混凝土的彈性模量和徐變特性 是加荷條件下混凝土齡期的函數(shù) 隨著加荷載時(shí)混 凝土齡期的增長(zhǎng) 彈性模量增大 徐交系數(shù)減小 在大壩加高時(shí) 第一期混凝土要比第 二期混凝土老的多 也就是說(shuō) 第二期混凝土的持久彈性模量低于第一期混凝土 由于 這個(gè)性質(zhì)的不同 基礎(chǔ)壓力的分布將發(fā)生變化 因第一期混凝土較硬 所以將承受較多 的荷載 但是先期的混凝土由于經(jīng)過(guò)多年的老化 各方面強(qiáng)度指標(biāo)明顯不如從前 老混 凝土能否承受新的荷載 也是值得研究的問(wèn)題 1 5 丹江口大壩加高工程及其研究意義 我國(guó)水資源分布不均 南多北少 長(zhǎng)江流域及其以南河川徑流占全國(guó)的8 0 以上 耕地不足全國(guó)的4 0 黃 淮 海流域的河川徑流量不到全國(guó)的6 5 耕地卻近全國(guó)的 4 0 為此 有必要將南方的水調(diào)一部分往北方 由此提出了南水北調(diào)的概念 南水北調(diào)中線工程是從長(zhǎng)江支流漢江的丹江口水庫(kù)引水 調(diào)向黃 淮 海地區(qū) 并 向京 津和冀 豫 鄂三省二市供應(yīng)生活 工業(yè)用水及兼顧部分農(nóng)業(yè)用水的特大型調(diào)水 工程 也是長(zhǎng)江流域開(kāi)發(fā)利用任務(wù)之一 工程建成后 將大大緩解北方水資源危機(jī) 改 善供水區(qū)的生態(tài)環(huán)境和投資環(huán)境 并能提高漢江中下游地區(qū)的防洪標(biāo)準(zhǔn) 第一章緒論 南水北調(diào)由水源工程和輸水工程兩大部分組成 南水北調(diào)中線工程的水源工程為丹 江口水利樞紐后期續(xù)建和漢江下游的補(bǔ)償工程 輸水工程為引漢總干渠和天津干渠 丹江口水利樞紐后期續(xù)建工程主要是水庫(kù)大壩的加高 丹江口水利樞紐位于湖北省 丹江口市漢江干流上 是治理漢江的關(guān)鍵工程 具有防洪 發(fā)電 航運(yùn) 灌溉等綜合效 益 丹江口水庫(kù)于1 9 5 8 年開(kāi)工建設(shè) 1 9 6 7 年開(kāi)始蓄水運(yùn)用 水庫(kù)初期正常蓄水位1 5 7 m 總庫(kù)容1 7 4 5 億m 3 其中漢江庫(kù)容9 4 億一 后期續(xù)建工程主要包括左右岸土壩護(hù)坡 左 右聯(lián)接壩段 非溢流壩段和廠房壩段貼坡的加高 溢流壩段堰面 閘墩以及升船機(jī)墩子 的加高等 加高后正常蓄水位為1 7 0 m 總庫(kù)容2 9 0 5 億m 3 其中漢江庫(kù)容1 5 2 8 億m 3 壩頂高程從1 6 2 m 升高到1 7 6 6 m 溢流壩堰頂高程從1 3 8 0 m 升高到1 5 2 0 m 丹江口大壩的加高 經(jīng)過(guò)幾十年的運(yùn)行 初期混凝土已經(jīng)老化 加高過(guò)程中難免出 現(xiàn)前面所提到的新老混凝土結(jié)合 壩踵應(yīng)力的惡化等問(wèn)題 另外 加高后由于庫(kù)水位的 上升 水頭增加 勢(shì)必帶來(lái)一些新的水力學(xué)問(wèn)題 如泄流能力 下游河道消能防沖及河 岸淘刷保護(hù)等 大壩加高后 不僅可以實(shí)現(xiàn)向北供水的目的 同時(shí) 后期裝機(jī)1 2 0 萬(wàn)k w 輔以發(fā) 電 通航 灌溉的綜合效益 因此 解決好大壩加高帶來(lái)的問(wèn)題具有熏要的研究意義 1 6 本文的主要研究工作 丹江口大壩為混凝土重力壩 擬采用后幫整體式進(jìn)行加高 本文結(jié)合丹江口大壩的 加高工程 作了以下部分工作 1 在查閱大量國(guó)內(nèi)外資料的基礎(chǔ)上 總結(jié)了國(guó)內(nèi)外大壩加高的現(xiàn)狀 目的及加高 方式 闡述了在加高中可能遇到的問(wèn)題 并對(duì)問(wèn)題產(chǎn)生的原因作了一定的解釋 2 闡述了重力壩加高一般所采用的研究方法 并介紹了非線性有限單元法理論及 其在a n s y s 中的實(shí)現(xiàn) 3 結(jié)合南水北調(diào)丹江口大壩加高工程 采用材料力學(xué)法和非線性有限單元法 對(duì) 大壩一次性建成和分期建成兩種情況進(jìn)行了比較分析 4 研究了國(guó)內(nèi)外新老混凝土結(jié)合的一般措施 考慮到丹江口大壩下游面原有部分 鍵槽 采用在下游面加鑿鍵槽 輔以水平施工縫的結(jié)合措施 因新老混凝土結(jié)合面受溫 度影響會(huì)有不同程度的開(kāi)裂 對(duì)結(jié)合面鑿鍵槽和不用鍵槽直接澆筑兩種方案 運(yùn)用 a n s y s 計(jì)算軟件 研究了在不同縫寬 新老混凝土不同彈性模量情況下新老混凝土結(jié)合 面的工作性態(tài)及壩體應(yīng)力狀況 5 研究了壩體加高溫度場(chǎng)及溫度徐變應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算的一般理論 并運(yùn)用a n s y s 對(duì)丹 江口大壩施工期及運(yùn)行期的溫度場(chǎng)及溫度徐變應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了分析 以及提出了一些控制 溫度應(yīng)力 防止裂縫的措施 河海大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章非線性有限元在重力壩加高中的運(yùn)用 2 1 重力壩加高的分析方法 隨著世界上重力壩加高數(shù)量的增多 重力壩加高的技術(shù)目趨成熟 加高的分析方法 也逐漸完善 一般來(lái)說(shuō) 重力壩的應(yīng)力分析方法同樣適用于壩體加高的分析 南非的 l o s k o p 壩 委內(nèi)瑞拉的g u r i 壩及日本的k u r o d a 壩的加高使用有限單元法和材料力學(xué) 法進(jìn)行研究并取得了不錯(cuò)的效果 重力壩的應(yīng)力分析方法可以歸結(jié)為理論計(jì)算和試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢纱箢?lèi) 這兩類(lèi)方法是彼此 補(bǔ)充 互相驗(yàn)證的 其結(jié)果都要受到原型監(jiān)測(cè)的檢驗(yàn) 由于試驗(yàn)?zāi)Ｐ唾M(fèi)時(shí) 對(duì)于中 小 型工程 一般只進(jìn)行理論計(jì)算 近代 由于電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn) 理論計(jì)算中的數(shù)值解法 發(fā)展很快 對(duì)于一般的平面問(wèn)題 常?？梢圆蛔髟囼?yàn) 主要依靠理論計(jì)算解決問(wèn)題 下 面對(duì)目前常用的幾種應(yīng)力分析方法作一簡(jiǎn)要介紹 2 1 1 模型試驗(yàn)法 目前常用的試驗(yàn)方法有光測(cè)方法和脆性材料電測(cè)方法 光測(cè)方法有偏光彈性試驗(yàn)和 激光全息試驗(yàn) 主要解決彈性應(yīng)力分析問(wèn)題 脆性材料電測(cè)方法除能進(jìn)行彈性應(yīng)力分析 外 還能進(jìn)行破壞試驗(yàn) 近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)方法 可以進(jìn)行復(fù)雜地基 的試驗(yàn) 此外 利用模型試驗(yàn)還可以進(jìn)行壩體溫度場(chǎng)和動(dòng)力分析等方面的研究 模型試 驗(yàn)方法在模擬材料特性 施加自重荷載和地基滲流體積力等方面 目前仍存在一些問(wèn)題 有待進(jìn)一步研究和改進(jìn) 2 1 2 材料力學(xué)法 這是應(yīng)用最廣 最簡(jiǎn)便 也是重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定采用的計(jì)算方法 材料力學(xué)法 不考慮地基的影響 假定水平截面上的正應(yīng)力oy 按直線分布 在地基附近約 3 壩高 范圍內(nèi) 計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況不符 但這個(gè)方法有長(zhǎng)期的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn) 多年的工程實(shí)踐證 明 對(duì)于中等高度的壩 應(yīng)用這一方法 并按規(guī)定的指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì) 是可以保證工程安全 的 對(duì)于較高的壩 特別是地基條件比較復(fù)雜的情況下 還應(yīng)該同時(shí)采用其他方法進(jìn)行 應(yīng)力分析 2 1 3 彈性理論的解析法 這種方法在力學(xué)模型和數(shù)學(xué)解法上都是嚴(yán)格的 但目前只有少數(shù)邊界條件的簡(jiǎn)單結(jié) 構(gòu)才有解答 所以在工程設(shè)計(jì)中較少采用 由于通過(guò)對(duì)典型構(gòu)件的計(jì)算 可以檢驗(yàn)其他 方法的精確性 因此 彈性理論的解析方法仍是一種很有價(jià)值的分析方法 2 1 4 彈性理論的差分法 差分法在力學(xué)模型上是嚴(yán)格的 在數(shù)學(xué)解法上采用差分格式 是近似的 由于差分 第二章非線性有限元在重力壩加高中的運(yùn)用 法要求方形網(wǎng)格 對(duì)復(fù)雜邊界的適應(yīng)性差 所以在應(yīng)用上遠(yuǎn)不如有限元法普遍 2 1 5 彈性理論的有限元法 有限元法在力學(xué)模型上是近似的 在數(shù)學(xué)解法上是嚴(yán)格的 是2 0 世紀(jì)5 0 年代中期 隨著電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)而產(chǎn)生的一種計(jì)算方法 有限元法可以處理復(fù)雜的邊界 包括 幾何形狀 材料特性和靜力條件 6 0 年代以后 發(fā)現(xiàn)有限元法源出于變分法中的里茲 法 從而使有限元法的應(yīng)用從求解應(yīng)力場(chǎng)擴(kuò)大到求解磁場(chǎng) 溫度場(chǎng)和滲流場(chǎng)等 它不僅 能解決彈性問(wèn)題 還能解決彈塑性問(wèn)題 不僅能解決靜力問(wèn)題 也能解決動(dòng)力問(wèn)題 不 僅能計(jì)算單一結(jié)構(gòu) 還能計(jì)算復(fù)雜的組合結(jié)構(gòu) 有限元法已成為一種綜合能力很強(qiáng)的計(jì) 算方法 隨著計(jì)算機(jī)附屬設(shè)備和軟件工程的發(fā)展 近年來(lái)在前處理和后處理功能方面也 有很大的進(jìn)步 如 網(wǎng)格自動(dòng)剖分 計(jì)算成果的整理和繪圖 屏幕顯示和光筆的應(yīng)用等 一些國(guó)內(nèi)外通用計(jì)算機(jī)軟件也漸趨成熟 從而可使設(shè)計(jì)人員從過(guò)去繁瑣的計(jì)算中解脫出 來(lái) 實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)工作的自動(dòng)化 下面簡(jiǎn)要介紹一下論文中要用到的材料力學(xué)法和非線性有限元法的具體理論 2 2 材料力學(xué)法的計(jì)算理論 材料力學(xué)法是一種常用的計(jì)算方法 我們僅用材料力學(xué)法研究太壩建基面上的垂直 正應(yīng)力 所以只對(duì)水平截面上的正應(yīng)力計(jì)算理論作簡(jiǎn)要介紹 2 2 1 基本假定啪1 1 壩體混凝土為均質(zhì) 連續(xù) 各向同性的彈性材料 2 視壩段為固接于地基上的懸臂梁 不考慮地基變形對(duì)壩體應(yīng)力的影響 并認(rèn)為 各壩段獨(dú)立工作 橫縫不傳力 3 假定壩體水平截面上的正應(yīng)力0y 按直線分布 不考慮廊道對(duì)壩體應(yīng)力的影響 2 2 2 水平截面上的正應(yīng)力計(jì)算 計(jì)算圖形及應(yīng)力與荷載的正方向見(jiàn) 圖2 1 因?yàn)榧俣╫y 按直線分布 所以可按 偏心受壓公式 2 1 2 2 計(jì)算壩踵 壩趾處正應(yīng)力oy u 和oy d 西 詈 可6 z m 2 1 西 嬰一 6 z m 2 2 bb 2 式中 形 作用于計(jì)算截面以上 r 1 1 h 一 1 一 肛 u 圖2 一l 壩體應(yīng)力計(jì)算圖 河海大學(xué)碩士學(xué)位論文 全部荷載的鉛直分力的總和 k n m 作用于計(jì)算截面以上全部荷載對(duì)截面垂直水流流向形心軸的力矩總和 k n m 曰 計(jì)算截面的長(zhǎng)度 m 2 3 非線性有限元基本理論 有限元的線性分析 我們已經(jīng)比較熟悉 它已經(jīng)作為設(shè)計(jì)工具被廣泛采用 但對(duì)于 水工結(jié)構(gòu)工程 大多數(shù)為混凝土結(jié)構(gòu) 作為非線性問(wèn)題考慮更符合實(shí)際情況 2 3 1 非線性分類(lèi) 2 3 1 1 材料非線性 物理非線性 材料非線性的特點(diǎn)是應(yīng)力 與應(yīng)變e 之間為非線性關(guān)系 通常與加載歷史有關(guān) 加 載和卸載不沿同一路徑 如圖2 2 為典型的塑性材料的應(yīng)力一應(yīng)變曲線圖 因而其物理 方程 扛 d 占 中的彈性矩陣口是應(yīng)變e 的函數(shù) 但材料非線性問(wèn)題屬于小變形問(wèn)題 位移和應(yīng)變是微 小量 其幾何方程是線性的 重力壩加高分析中的基巖 壩體混凝土材料等具有典型的 材料非線性性質(zhì) 所以 混凝土壩的加高應(yīng)當(dāng)按 材料非線性處理 應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系的非線性是結(jié)構(gòu)非線性的常 見(jiàn)原因 許多因素可以影響材料的應(yīng)力一應(yīng)變性 質(zhì) 包括加載歷史 如在彈 塑性響應(yīng)狀況下 環(huán)境狀況 如溫度 加載的時(shí)間總量 如在蠕變 響應(yīng)狀況下 材料非線性分析包括彈塑性分析 超彈分析 蠕變分析等 2 3 1 2 幾何非線性 幾何非線性屬于大變形問(wèn)題 位移和應(yīng)變 或者它們中一個(gè)是有限量 可能會(huì)有三種情況 e o 1 o 1 af o d l e p 1 o e 線 大位移 包括線位移和角位移 小應(yīng)變 小位移 大應(yīng)變和大位移 大應(yīng)變 此時(shí)反 映應(yīng)變和位移的幾何方程是非線性方程 例如 正應(yīng)變可表示為 鏟罷 爭(zhēng) 2 c 2 2 卜 剪應(yīng)變 可表示為 第二章非線性有限元在重力壩加高中的運(yùn)用 加拋拋拋卻加伽西p b 2 瓦 萬(wàn) 瓦 萬(wàn) 夏 萬(wàn) i 萬(wàn)p 如果應(yīng)力