石膏山拱壩空間有限元彈塑性分析.pdf

1、拱壩的應(yīng)力分析問題是進(jìn)行拱壩設(shè)計和分析中的重要內(nèi)容。隨著計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，有限元法(FEM)得到廣泛應(yīng)用。有限元法在計算拱壩應(yīng)力時不但能考慮拱壩與地基的整體作用效應(yīng)，而且可以考慮壩體孔口、廊道等孔口應(yīng)力分布影響并進(jìn)行各種復(fù)雜條件下的應(yīng)力分析，這是拱梁分載法辦不到的。溫度作用是拱壩設(shè)計中的一項重要荷載。實測資料分析表明，在由水壓力和溫度變化共同引起的徑向總變位中，后者約占1/3～1/2，在靠近壩頂部分，溫度變化更為顯著。因此，通過研究

2、給出溫度變化對拱壩壩體的影響變得極其重要。
　　 本文運(yùn)用ANSYS軟件，對山西省重點工程項目石膏山單曲重力混凝土拱壩建立了空間三維非線性有限元模型，提出將壩體-壩肩山體-地基巖體整體建模，并考慮壩體溢流孔及廊道的聯(lián)合作用分析方法。對溫度變化影響下結(jié)構(gòu)各部分應(yīng)力、位移變化情況進(jìn)行了非線性有限元分析討論，重點研究了壩體水平荷載和豎直荷載共同作用下壩體應(yīng)力、位移情況。本文提出的壩體-壩肩山體-地基巖體整體建模的聯(lián)合作用分析方法對工程

3、中類似問題的解決具有參考價值，并且模型計算結(jié)果對工程設(shè)計與施工有指導(dǎo)意義。
　　 采用三維非線性有限元理想彈塑性模型進(jìn)行分析計算，研究內(nèi)容及其主要成果如下：
　　 1、溫度變化對結(jié)構(gòu)變形的影響：壩體在溫升工況下整體向上游變位，越靠近壩體上游側(cè)向上游變位越大，同一高程上，上游側(cè)變位大于下游側(cè)。壩體在溫降工況下整體向下游變位，越靠近拱冠梁處向下游變位越大，同一高程上，上下游變位基本一致。
　　 2、溫度變化對結(jié)構(gòu)應(yīng)力

4、的影響：正常水位溫升工況下，拉應(yīng)力區(qū)主要集中在約1/2～1倍壩高的溢流堰兩側(cè)，在溢流堰附近出現(xiàn)最大值，最大值為1288KPa。閘墩最大拉應(yīng)力主要集中在閘墩上側(cè)靠近壩頂部分，閘墩最大拉應(yīng)力值不大，分布在右側(cè)閘墩上側(cè)，值為1055KPa；在壩體的兩壩肩處出現(xiàn)較大壓應(yīng)力，最大值為6612KPa，閘墩壓應(yīng)力都低于2259KPa。正常水位溫降工況下，拉應(yīng)力區(qū)主要集中在約1/3～1倍壩高的壩體部分，在拱冠附近出現(xiàn)最大值，最大值為1530KPa。閘墩

5、最大拉應(yīng)力主要集中在閘墩上側(cè)靠近壩頂部分，閘墩最大拉應(yīng)力值不大，分布在左側(cè)閘墩上側(cè)，值為1849KPa。在壩體的兩側(cè)壩肩出現(xiàn)較大壓應(yīng)力，最大值為5164KPa，閘墩壓應(yīng)力都低于3173KPa。
　　 3、孔口、廊道對結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響：壩體孔口、廊道對變形、應(yīng)力影響顯著，引起應(yīng)力分布變化。在正常水位溫升工況下，下游溢流孔口周邊出現(xiàn)了局部的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力分布區(qū)出現(xiàn)在溢流孔口和左側(cè)閘墩結(jié)合處，最大拉應(yīng)力值1994KPa，同時此區(qū)

6、域還是塑性應(yīng)力發(fā)展區(qū)，最大等效塑性應(yīng)變?yōu)?.19mm。在正常水位溫降工況下，下游溢流孔口周邊也出現(xiàn)了局部的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力分布區(qū)出現(xiàn)在溢流堰與左側(cè)閘墩結(jié)合處還有左右兩側(cè)閘墩與壩體結(jié)合處，最大拉應(yīng)力值4660KPa，同時此區(qū)域還是塑性應(yīng)力發(fā)展區(qū)，最大等效塑性應(yīng)變?yōu)?.46mm。拱梁分載法無法反應(yīng)孔洞應(yīng)力集中的局部應(yīng)力，而孔口應(yīng)力分布集中通過有限元法可以得到分布成果。
　　 4、結(jié)果比較：兩種工況下壩體大部分區(qū)域拉應(yīng)力和壓應(yīng)力