碾压式沥青混凝土心墙砂砾石坝有限元分析

通过非线性静力有限元计算,得出坝体、坝基与心墙的应力与变形情况,竣工期坝体最大水平位移为0. 06 m(向上游变形),竖向沉降最大值为0. 58 m。满续期坝体最大水平位移为0. 33 m(向下游变形),竖向沉降最大值为0. 58 m。竣工期和满蓄期的心墙最大压应力分别为12. 5和13. 2 MPa。坝体位移分布符合土石坝体的变形规律,可采取一定的工程措施提高坝基密实指标,减小坝基的沉降。心墙没有出现拉应力,竖向应力大于水压力,不会发生水力劈裂或拉裂现象。     

基于等效应力法的混凝土拱坝有限元分析

有限元法分析拱坝应力时,等效应力计算按等效后坝体的主拉、压应力作为控制指标。本文基于拱坝等效应力计算原理,对照应力控制标准,结合工程实例建立三维有限元模型,计算该拱坝不同荷载作用下坝体上、下游面的等效应力,分析其应力控制标准的适宜性,结论可为高拱坝的等效应力研究提供一定的指导价值。     

拱坝的有限元等效应力及复杂应力下的强度储备

有限元等效应力法今后将逐步取代拱梁分载法成为拱坝设计的主要方法，在计算有限元等效应力时，应直接进行数值积分，而不宜用二次曲线逼近，坝体自重宜用分步增量法计算，在坝体下游面压应力最大处，双向受压使混凝土抗压强度提高8％左右，如考虑施工期温度拉应力，抗压强度可能反而降低17％左右．在坝体上游面拉应力最大处，侧向压应力使混凝土抗拉强度下降7％～8％左右，在上游面拱冠区，三向受压，使抗压强度提高9％左右．     

碾压式沥青混凝土心墙坝三维静动力数值模拟研究

为研究碾压式沥青混凝土心墙坝施工及运行期的受力特性,以新疆某水利枢纽工程为例,采用非线性邓肯-张E-B模型进行大坝三维有限元静力计算,采用等效线性粘弹性模型进行大坝三维有限元动力计算,采用三维等价结点力法研究坝体地震永久变形,主要研究坝体在静动力条件下坝体和防渗体的应力、变形以及基座与心墙的相对位移。结果表明,静力条件下,坝体最大沉降约占坝高的0. 27%,蓄水后心墙最大压应力较竣工期减少约14. 2%,蓄水后心墙顺河向最大位移较竣工期增大约2. 6倍、沿坝轴线方向减小约13. 3%;动力条件下,坝体地震沉降约占坝高的0. 09%,地震发生时坝体最大横断面心墙出现拉应力,其值约为最大压应力的9. 5%,地震结束后心墙最大压应力减小约16. 7%,未出现拉应力,地震后坝体顺河向发生永久位移,心墙最大压应力较地震前增大1. 9%,心墙顺河向最大位移较地震前增大约15. 4%、沿坝轴线方向减小约11. 5%。     

材料置换法改善拱坝应力集中的数值模拟

通过体型优化设计可使拱坝坝体以受压为主,当拉应力超过混凝土的极限抗拉强度后,由于应力重新分布的作用,使局部区域的拉应力转变为压应力.以某拱坝为例,通过置换拉应力较大区域的混凝土为低弹模混凝土,使坝体以受压为主,充分发挥混凝土抗压强度高的特点,改善坝体的应力状态,提高坝体的强度安全性.采用有限元ANSYS10.0为平台,以坝高100 m的拱坝为计算模型,利用直接耦合法计算拱坝应力,得到拱坝在温升和温降工况下的应力分布状况,主要分析了对坝体拉应力不利的温降工况;采用低弹模混凝土置换坝体拉应力值比较大的区域,使置换区域的拉应力减小约50%,而压应力增加的幅度不明显,可以改善拱坝坝体拉应力集中现象,提高了拱坝的安全性.     

溪源水库砌石拱坝结构强度分析

该文采用ANSYS有限元软件建立溪源水库砌石拱坝三维模型,考虑拱坝分层浇筑自重、闸门和启闭房重量、淤沙压力、浪压力、温度作用及各工况水位,计算分析拱坝应力分布规律;在此基础上,利用ANSYS-APDL二次开发设计语言编制等效应力计算程序,消除局部应力集中影响,得到坝体等效应力值。计算结果表明:与坝基接触的坝体、溢洪道孔口周边局部坝体出现应力集中效应,经等效处理后,坝体最大主拉压应力均小于设计规范容许应力值,砌石拱坝的应力状态满足设计应力控制标准要求。     

基于有限元方法的洞坪拱坝体形优化研究

在初步设计体形的基础上,建立以坝体混凝土方量最小为目标函数,以坝体几何形状限制和坝体拉、压应力满足有限元等效应力控制指标为约束条件的拱坝优化数学模型,运用大型有限元软件ANSYS对洞坪拱坝进行体形优化研究.计算表明,该方法求解效率高,结果的收敛性稳定,优化后的体形更扁平美观,坝体应力更趋于均匀.     

诱导缝布设形式对碾压混凝土拱坝应力变位的影响

文章以新疆某水电站的碾压混凝土双曲拱坝为研究对象,分析诱导缝布设形式对拱坝应力变位的影响。依据诱导缝布设形式设4种方案,建立相应的有限元立体模型,借助ABAQUS有限元计算软件获得坝体拉应力与压应力最大值、坝体位移等参数。通过对比分析得到结论:布设诱导缝可降低拉应力变化范围,控制坝体开裂;只要诱导缝个数适当,拱坝整体性不会受到影响。     

考虑非饱和渗流的谷幅变形对高拱坝影响分析

蓄水初期谷幅变形对拱坝当前工作性态和长期安全状况的影响是坝工界和学术界面临的新课题。针对我国锦屏一级拱坝蓄水期间出现的谷幅收缩问题,基于非饱和渗流分析理论,采用非线性有限元数值分析方法,通过对裂隙岩体吸湿曲线进行敏感性分析,研究了非饱和渗流过程中的谷幅变形规律,并分析了谷幅变形对大坝位移和应力的影响。结果表明:在非饱和渗流场作用下,两岸边坡向河谷中心变形,且上游比下游的谷幅变形值大。随着水位的升高,谷幅变形值不断增大,当渗流场达到饱和时谷幅收缩值最大。在非饱和渗流过程中坝体位移和应力的分布规律基本保持不变,但随水位的升高坝体最大顺河向位移和最大主压应力略有减小,最大主拉应力略有增加。谷幅收缩对坝体产生挤压作用,导致坝体最大顺河向位移减小,最大主拉应力由坝踵向坝肩上游侧转移,下游面高压应力区向拱冠梁中部扩展,且饱和渗流场对拱坝位移和应力的影响比非饱和渗流场明显,但渗流场作用的谷幅变形对坝体位移和应力的改变有限,不会影响坝体的整体稳定性。     

二滩拱坝应力仿真及参数敏感性分析

本文基于已有的二滩拱坝温度荷载和材料参数反馈分析结果，对该坝运行期的应力状态进行了仿真分析。研究发现，坝面最大拉应力与气温密切相关并随季节周期性变化，冬季时下游面左右岸最大主应力分布明显呈不对称分布，左岸基本上以压应力为主，而右岸则出现较大拉应力区，最大值可达到2MPa以上。材料参数和温度荷载敏感性分析表明，冬季时下游坝面右岸出现的较大拉应力是由于大坝右岸基岩蚀变带和右 岸下游坝面温度偏低所共同造成的，但蚀变带弹模的变化对坝体应力的影响是局部的，不致于对大坝的安全运行产生不利影响。     

坝体保温层的等效模拟及保温效果分析

针对目前保温层设计施工中工程经验占主导而数值仿真研究相对较少的情况,基于大型商业有限元分析软件ABAQUS,对某工程保温层进行有限元分析计算。采用参数等效算法,在同一模型上计算不同厚度(1.5 cm,2.5 cm,5.0 cm)保温层防护下的坝体温度场及应力场。分析结果表明:①统计特征点在无保温层时的年内温差较大;铺设保温层后,年内温度变幅显著降低;保温效果随着保温层厚度的增大而逐渐增强;铺设5.0 cm厚的聚苯板保温层可将统计特征点的年内最大温差由15.47℃减小为6.30℃。②在无保温层保护的情况下,下游坝面出现大面积的拉应力区,最大拉应力值超出混凝土的抗拉强度;增加保温层后,坝体下游面应力状况得到明显改善,拉应力区减小且拉应力值随保温层厚度的增加而逐渐减小;铺设5.0 cm厚的聚苯板保温层可将拉应力值由未加保温层时的2.73MPa减小为1.46MPa。     

拱坝坝后局部加固对大坝工作性态影响研究

为明确坝后局部加固体对拱坝工作性态的影响,应用结构多场仿真与非线性分析软件SAPTIS对50年后拱坝任意时刻温度场进行仿真模拟,研究了某拱坝无、有加固体情况下大坝在典型工况下的变形、应力差异和结合面状态。模型中,坝体和基础网格采用六面体网格,边界约束条件为地基底面、地基侧面以及上下游面加法向链杆约束,并考虑了正常水位和水库水温变化过程、气温变化过程、混凝土水化热、太阳辐射等影响。结果显示:在正常温降情况下,该大坝无加固体和有加固体时,向下游变形分别为23.1 mm和20.1 mm,差别为13%,在正常温升情况下,差别达20%;有加固体时,上游面边缘部位受拉区域范围增加,与下游加固体尺寸大致相同,但拉应力最大值明显减小,由1.3 MPa减小为0.9 MPa。结果表明:大坝与加固体结合面普遍处于压剪状态,上部边缘区域应力集中现象明显,内部应力较小;坝后局部加固体增大了坝体刚度、减小了大坝向下游变形、改变了坝体应力分布规律,使得应力分布更均匀化,对大坝工作性态有一定改善作用。     

基础约束对拱坝应力影响规律的研究

为了研究不同基础约束对拱坝应力的影响,运用有限元方法模拟分析了基础变形模量Er与坝体变形模量Ec的比值(Er/Ec)分别为0.25,0.5,1和2时的200 m拱坝应力.结果表明Er/Ec越大,坝体主要部位的拉、压应力区的数值也越大.     

改进的混凝土重力拱坝温度荷载分析

针对目前拱坝规范中温度荷载不能较好地考虑重力拱坝内部温度的非线性变化,由外界气温变化对混凝土内部温度影响的理论分析及坝体温度计测值的综合分析,对年变化温度荷载的计算进行了改进：仅对外界气温变化影响较显著的距坝体外表面10 m左右区域的混凝土温度进行等效,假设中间区域的温度无变化。这可一定程度考虑坝体内部温度的非线性变化。对某重力拱坝进行分析,得到的结论是：①采用本文提出的考虑坝内温度非线性变化的温度荷载方法计算的应力较规范计算的应力,在下游面拉应力有较大增长,而上游面压应力有所减小;②计算坝体的变形与规范法计算的变形较接近,但截面上的应力分布不同。     

严寒地区常态混凝土拱坝长期保温防裂措施

在严寒地区修建混凝土拱坝,超低极端气温、超大年内温差和冬季突发寒潮等环境温度荷载是造成混凝土结构拉裂破坏的重要因素,因此开展长期保温防裂措施的研究意义重大。采用等效原理,提出了保温层-混凝土复合材料的热传导等效模拟概念,建立了有限元数值仿真中不同厚度混凝土与表面保温层等效单元;利用严寒地区长期实测资料和同类工程经验,选定结构数值仿真的气温、水温和材料热力学参数,开展温降工况下不同保温层厚度的坝体温度场及应力场数值计算与分析。结果表明:严寒地区坝体在无保温层时的坝体表面混凝土温度变化规律与气温基本相同,采取保温措施后保温层对坝体表面的保温效果较为明显,保温效果随保温层厚度的增加而增强;无保温层时上下游坝面出现大面积的拉应力区,增加保温层后坝体的拉应力区有所减小且应力随保温层厚度的增加而逐渐减小。     

碾压混凝土拱坝三维有限元静力分析

以某水电站碾压混凝土拱坝为研究对象,应用大型通用有限元计算软件ansys对拱坝进行了三维有限元应力计算,计算了三种工况下拱坝坝体X向、Y向、Z向的位移云图、拱坝上、下游面主拉应力、主压应力云图,分析了该拱坝的应力最不利及位移最大位置,这为该拱坝在施工期及运行期提供了可靠的参考数据,也为同类型工程提供参考价值。     

高拱坝典型拱圈结构模型试验研究与有限元计算分析

某高拱坝坝高、库大,坝址区地质条件较为复杂。该坝体所受到的应力和产生的变形都直接影响到大坝的安全。针对该拱坝地质构造复杂程度较为突出的典型高程拱圈,以结构模型试验为主要研究手段,结合有限元计算,分析了该拱圈在正常工况下的应力和位移分布情况。试验得出:该拱圈的最大压应力出现在左拱端下游面,最大拉应力出现在左半拱端下游面中部,应力值满足规范要求,但呈现出一定的不对称性;两拱端径向和切向变位存在一定的差异,左拱端位移较右拱端大。有限元计算中对左岸增设了垫座进行加固,并计算得出最大压应力位于左岸坝体和垫座交角处,最大拉应力位于垫座上游面;最大顺河向位移位于拱冠梁附近,左岸的顺河向位移明显大于右岸。有限元计算得出的应力与位移分布规律及试验成果相似,两者互为补充。采用垫座加固后的拱圈应力和位移得到了一定程度的改善。鉴于该拱坝左右岸存在的软弱结构面对坝体应力及稳定性存在一定的影响,且因左右岸应力和位移分布呈现出一定的不对称性,建议对坝肩主要结构面采取一定的加固处理措施以确保工程的安全。     

青龙U型薄拱坝极限承载能力及渐进破坏模式分析

U型碾压混凝土薄、高拱坝在国内外尚不多见,其中湖北省青龙拱坝因地形条件的独特尤为特殊,应力分布规律较常规V型拱坝有根本性差异,即在距坝底1/4坝高的下游坝面拱冠处出现较大面积的拉应力区,因此对青龙U型薄拱坝破坏机制及安全度的探讨非常必要。基于带拉破坏Drucker-Prager准则,利用强度储备系数法和超载法,分别对青龙拱坝的极限承载能力进行弹塑性有限元分析;运用位移突变法、塑性区贯通及收敛性等破坏判据,探讨其破坏机制,评价其整体安全度。结果表明:选用分析承载能力的方法不同,则青龙U型薄拱坝在极限承载过程中上、下游坝面破坏形态不同,但坝体最终的破坏形态基本一致;总结了其渐进破坏模式特点,并指出其在极限承载过程中由于应力的自行调整,拉应力减小或消失,满足稳定安全要求。     

里石门拱坝坝体应力变化规律分析

本文根据里石门薄拱坝应力监测成果,分析了施工期、运行期坝体应力变化,得出施工期坝体应力大于运行期;坝体裂缝均产生在施工期和蓄水初期;坝体实测应力分布与设计计算成果有差异,最大拉应力出现在中层拱圈拱冠下游面;温度荷载是坝体的主要荷载,其中上下游面温度梯度及局部非线性温差对薄拱坝应力影响很大;拱座最大推力发生在夏季温升时等结论,并对下游面裂缝成因进行了分析。     

地基弹性模量对拱坝坝体应力的影响研究

为了探究地基弹性模量对拱坝的影响,通过改变地基弹性模量的大小,研究坝体与地基接触部位的应力变化情况。采用ANSYS有限元分析法,建立拱坝整体有限元模型,选取正常蓄水加温度荷载的工况进行计算。结果表明:随着地基弹性模量的增大,坝体与地基相交处的最大主拉应力和最大主压应力均呈逐渐增大的趋势,但两者的变化幅度均逐渐变缓慢。该研究结果可以为拱坝坝址的选取提供一定的参考作用。在距离坝体边缘大于20 m(约为0.14倍坝高)时,地基的弹性模量对拱坝坝体应力应变的影响就会变得很小,这可以为改善坝基地质条件而采取的地基处理范围提供一定参考。