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        基于等效應(yīng)力法的混凝土拱壩有限元分析

        2020-05-21 12:36:32趙佳楠
        黑龍江水利科技 2020年3期
        關(guān)鍵詞:拱壩溫升主應(yīng)力

        趙佳楠

        (通河縣水務(wù)技術(shù)服務(wù)中心,黑龍江 通河 150900)

        1 概 述

        在中國學(xué)術(shù)界分析拱壩應(yīng)力基本采用有限單元法,采用該法分析拱壩應(yīng)力的優(yōu)勢明顯,但不足之處在于應(yīng)力集中較大。采用等效應(yīng)力法在很大程度上可以減少這種影響[1]。目前,有限元等效應(yīng)力法的發(fā)展較緩慢,尤其在高拱壩的應(yīng)用分析中還不夠成熟,只是處于起步階段。隨著中國高拱壩等大型水利工程的不斷建設(shè),對有限元等效應(yīng)力法的理論深度研究,在高拱壩分析的可行性和適用性上還需進(jìn)一步的研究。

        2 等效應(yīng)力計(jì)算分析[2]

        在拱壩的有限元法計(jì)算中,應(yīng)力分量分別沿拱、梁斷面積分,可得內(nèi)力,局部和整體坐標(biāo)系的關(guān)系表達(dá)如下:

        式中l(wèi)i、mi、ni為坐標(biāo)軸三向方向余弦。

        l1=cosα,m1=sinα,n1=0;l2=-simα,m2=cosα,n2=0;l3=0,m3=0,n3=1.

        坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換示意圖,見圖1。

        圖1 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換示意圖

        坐標(biāo)系表達(dá)式可轉(zhuǎn)換為:

        {σ}=[Tσ]{σ′}

        沿梁的厚度方向?qū)?yīng)力和力矩進(jìn)行積分,可得梁截面上的內(nèi)力表達(dá)式如下[3]:

        式中y0為梁截面形心坐標(biāo)。

        單位高度拱圈的徑向鉛直截面,對拱應(yīng)力和力矩進(jìn)行積分,進(jìn)而可得拱截面上的內(nèi)力表達(dá)式如下:

        3 工程實(shí)例

        3.1 工程概況

        某水利樞紐位于中國四川省境內(nèi),大壩為碾壓混凝土拱壩,工程等級為大(1)型,壩頂高程為658.0m,壩底高程513.0m,最大壩高93.0m,壩頂寬8.0m,拱冠梁底寬32.0m。水庫總庫容為5.2×108m3。主要建筑物為攔河壩、壩頂溢洪表孔和泄水底孔、電站廠房等組成[4]。大壩工程網(wǎng)格模擬圖,見圖2。

        圖2 大壩工程網(wǎng)格模擬圖

        3.2 水文氣象

        據(jù)水文氣象資料統(tǒng)計(jì),多年平均氣溫13.4℃,最低氣溫-16.3℃;多年平均降水量912mm,多年平均蒸發(fā)量1223mm,多年平均風(fēng)速1.1m/s,多年平均最大風(fēng)速9.3m/s,風(fēng)向NE。

        3.3 大壩物理參數(shù)

        依據(jù)工程地質(zhì)資料,壩基巖體的物理力學(xué)參數(shù)[5],拱壩壩基巖石物理力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表,見表1。

        表1 拱壩壩基巖石物理力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

        3.4 計(jì)算結(jié)果

        計(jì)算工況與荷載組合根據(jù)《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》SL282-2003要求進(jìn)行。

        基本組合:

        工況1:自重+正常蓄水位+下游水位+泥沙壓力+溫降;

        工況2:自重+正常蓄水位+下游水位+泥沙壓力+溫升;

        工況3:自重+設(shè)計(jì)洪水位+下游水位+泥沙壓力+溫升;

        殊組合:

        工況4:自重+校核洪水位+下游水位+泥沙壓力+溫升;

        不同高程面的選取點(diǎn)在工況1下的等效應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表2-5。+表示等效主拉應(yīng)力,—表示等效主壓應(yīng)力。(因文章篇幅受限,文章只展示工況1下的等效應(yīng)力計(jì)算結(jié)果)

        表2 工況1上游面第主應(yīng)力等效應(yīng)力

        表3 工況1下游面第主應(yīng)力等效應(yīng)力

        表4 工況1上游面第3主應(yīng)力等效應(yīng)力

        表5 工況1下游面第3主應(yīng)力等效應(yīng)力

        續(xù)表5 工況1下游面第3主應(yīng)力等效應(yīng)力

        從表2-5的計(jì)算結(jié)果可知:工況1的等效主拉應(yīng)力均<1.5MPa,等效主壓應(yīng)力均<6.25MPa,結(jié)果均滿足應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)。壩體有限元等效應(yīng)力主壓、拉應(yīng)力匯總表,見表6。

        表3-6 壩體有限元等效應(yīng)力主壓、拉應(yīng)力匯總表

        4 結(jié) 論

        文章基于有限元法基本理論和等效分析方法,結(jié)合實(shí)際工程建立有限元分析模型,計(jì)算不同工況下的拱壩上下游面的等效應(yīng)力,計(jì)算得出壩體各工況有限元等效應(yīng)力值,分析其產(chǎn)生最值壓力的部位,依據(jù)結(jié)果可以看出壩體應(yīng)力均符合拱壩應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn),結(jié)論可為高拱壩的應(yīng)力變形控制設(shè)計(jì)提供更為合理的依據(jù)。

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