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        關門嘴子水庫重力壩應力集中現(xiàn)象分析

        2017-08-30 21:05:41張洪雨
        黑龍江水利科技 2017年6期
        關鍵詞:靜水壓力重力壩關門

        李 恒,孫 瑤,張洪雨

        (哈爾濱工程大學,哈爾濱 150001)

        關門嘴子水庫重力壩應力集中現(xiàn)象分析

        李 恒,孫 瑤,張洪雨

        (哈爾濱工程大學,哈爾濱 150001)

        應力集中屬于彈性力學中的一種現(xiàn)象,通常會產(chǎn)生物體局部應力突變的情況,一般出現(xiàn)在物體某處形狀突變的部位。為了防止建筑物遭到破壞,在設計過程中應該重點考慮該現(xiàn)象。文章借助ANSYS軟件平臺,利用有限元思想,對關門嘴子水庫重力壩進行靜力結構分析,得到應力集中部位應力大小值,進而檢驗出建筑物結構的合理性與可靠性。

        重力壩;應力集中;ANSYS軟件平臺;有限元思想

        1 工程概況

        關門嘴子水庫位于黑龍江省鶴崗市,水庫壩址位于梧桐河上游,最大壩高34.35m,壩體厚20m,建基面高程為116.02,從高程為141.37處開始起折坡(坡比為1∶0.7)。設計水位下的上游水位147.50m,下游水位125.62m。壩基表層為第四系松散層,巖性包括粉土質砂、卵石混合土、碎石混合土,壩基巖體巖性以安山巖為主夾輝綠巖脈,壩基層不存在軟弱結構層。擋水壩內(nèi)部采用C15混凝土,部分(如迎水面以及應力集中部位)采用2.5m厚C25混凝土。為了混凝土壩施工方便,僅布設一條基礎灌漿排水廊道,同時兼顧安全檢測、檢查維修作用。廊道斷面為3.0m×3.5m城門型,廊道底部設置0.25m×0.3m排水溝。廊道中心線位于壩軸線下游2.0m處,高程為119.02m[1]。

        2 研究目的、背景及意義

        關門嘴子水庫采用混凝土重力壩作為擋水壩,文章選取了第5#壩段作為研究對象,主要通過ANSYS進行數(shù)值模擬。由彈性力學的內(nèi)容可以知道,應力集中現(xiàn)象一般出現(xiàn)在物體形狀急劇變化的地方,如缺口、孔洞處。在關門嘴子水利工程的擋水壩段中,整個重力壩的壩趾、壩踵以及廊道處可能會產(chǎn)生應力集中的現(xiàn)象,進而造成大壩局部被破壞,甚至造成整個壩體失穩(wěn),故在設計過程中考慮壩踵、壩趾和廊道處的應力變化是有必要的。

        3 研究內(nèi)容

        文章將借助ANSYS軟件平臺,對研究對象進行建模,并利用有限元的思想,通過ANSYS的前處理,計算出重力壩一個壩段的內(nèi)部應力以及位移,并分析壩趾以及壩踵處的應力突變情況,以此來判斷工程是否滿足穩(wěn)定性和可靠性。

        4 計算基本假定

        1)混凝土、鋼結構材料均假設為各向同性線彈性材料。

        2)材料的物理力學參數(shù)按設計標準值選取。

        5 計算模型建立

        選擇ANSYS結構(Structural)模塊。設置ANSYS實體結構單元solid65與solid185單元,solid65單元是混凝土結構單元,對于混凝土重力壩使用該單元,solid185單元用于處理實體單元,整個壩體建模過程中用于地基單元的處理。設置模型的材料參數(shù),對于混凝土定義其密度為2500,彈性模量為3×1010,泊松比為0.167,對于地基主要由安山巖以及泥巖碎石組成,定義其彈性模量為1×1010,泊松比為0.31。

        建模階段。根據(jù)工程資料的數(shù)據(jù)確定整個重力壩(本次建模過程中選取整個重力壩的15#壩段)的壩高等幾何信息,通過連接特征幾何點,形成二維面,面進成體的形式。其中特征點是(0,0,0)、(24.8,0,0)、(7,25.4,0)、(7,34.3,0)、(0,34.3,0)、(59.1,0,0)、(59.1,-34.3,0)、(0,34.3,-20)、(-34.3,0,0)、(-34.3,-34.3,0)、(0,0,-20)、(24.8,0,-20)、(7,25.4,-20)、(7,34.3,-20)、(-34.3,0,-20)、(59.1,0,-20)、(59.1,-34.3,-20)、(-34.3,-34.3,-20)。

        施加荷載及約束階段。對壩基上下游兩側施加水平方向的約束,對壩基底側施加全方向約束。對于巖基上的重力壩,常見的荷載形式有:自身重力、靜水壓力、揚壓力、土壓力、冰壓力、地震荷載等。根據(jù)工程資料以及計算要求,文章主要主要研究重力壩的自重、靜水壓力以及揚壓力的作用。其中:

        1)自重荷載。自重荷載作用于重力壩的重心,以慣性力的形式施加。

        2)靜水壓力。靜水壓力分為上游面靜水壓力和下游面靜水壓力,其中上游面靜水壓力垂直作用于壩體的迎水面,上游面與重力壩接觸面垂直。靜水壓力的大小按照水深的不同呈現(xiàn)梯度分布。

        3)揚壓力。揚壓力由滲透壓力和浮托力,其中滲透壓力是由于上下游水位差產(chǎn)生的,浮托力是重力壩下游的水壓力,揚壓力呈現(xiàn)梯度分布,揚其作用方向位于壩體底部鉛直向上。

        6 計算結果

        利用ANSYS計算結果,第一、三主應力分布圖見圖1-圖2,得到計算應力結果見表1。

        圖1 第一主應力圖

        圖2 第三主應力圖

        應力類型應力值第一主應力/MPa拉應力5 95壓應力0 25第三主應力/MPa拉應力0 45壓應力6 46

        7 結 論

        由計算所得到的結果,可以分析得出以下結論:

        1)由云圖結果可以看出,拉應力和壓應力的最大值都出現(xiàn)在廊道處,這是由于廊道處位于重力壩的孔口部位,會出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象。根據(jù)表6-1可知,其中第一主應力最大值為5.95MPa。最大壓應力為0.25MPa,均小于C15和C25混凝土的最大抗拉強度,故抗壓強度均在混凝土最大強度范圍以內(nèi),但是在廊道以及壩址壩踵部位由于應力集中現(xiàn)象的影響,導致局部拉應力突變情況,故理論上這些部位可能會發(fā)生局部裂縫現(xiàn)象,應該予以重視??梢圆扇〈胧涸诰植渴┘痈邚姸然炷?。

        2)在實際工程中,廊道處的應力大小與網(wǎng)格密度大小、單元的選擇以及外部環(huán)境影響等很多因素有關系,當極值大于標準值不多且分布范圍不大的時候,可以認為不會對重力壩造成危害。

        3)從重力壩的應力云圖中可以得出結論,重力壩壩體大多數(shù)處于受壓狀態(tài),這是由于受到靜水壓力的作用,使得壩體朝著下游方向有力的作用。

        4)關門嘴子水庫重力壩滿足靜力條件下的穩(wěn)定性要求。

        [1]溫州,王秀麗,郭佳樂.鶴崗市關門嘴子水庫大壩穩(wěn)定及應力分析[J].黑龍江水利科技,2016(02):41-42,145.

        1007-7596(2017)06-0026-02

        2017-05-26

        李恒(1992-),男,湖北宜昌人,碩士研究生,研究方向為水利工程;孫瑤(1993-),女,黑龍江哈爾濱人,碩士研究生,研究方向為水利工程;張洪雨(1957-),男,黑龍江哈爾濱人,教授,研究方向為水利工程。

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