（水工结构工程专业论文）混凝土重力坝及坝后式厂房整体静动力分析.pdf

摘要 摘要 随着我国水利水电事业的发展和混凝土坝筑坝技术水平的迅速提高，在水利 资源丰富的西南和西北地区正在设计修建众多高坝大库，且常采用混凝土重力坝 的型式以及坝后式厂房的布置。由于地质构造的原因这些地区又是高烈度地震频 发地区。在高烈度地震作用下，混凝十重力坝及厂房的抗震安全性关系到下游广 大地区工农业生产和人们的生命财产的安全，因此，对混凝土重力坝及坝后厂房 的地震响应分析具有熏大的现实意义。本文以某水电站工程为例，采用有限元静 动力分析方法，研究在不同载荷工况下，坝体及厂房的应力位移响应。主要做了 以下几个方面的工作： 1 、参考国内外相关文献，综述了混凝土坝的发展概况，介绍了有限静元动 力分析方法以及国内外在混凝土坝和水电站厂房方面的研究现状。 2 、利用大型通用有限元软件a n s y s ，依据某水电站漫计参数，对厂房坝段 以及坝后式厂房建立合适的三维有限7 二整体模型和分块模型，计算在不同工况下 坝体、背管和厂房各部分的应力和位移等工作性态。 3 、对整体模型和分块模型进行模态分析，研究其自振频率及结构振型，在 模态分析的基础上，对整体模型和分块模型进行地震反应谱分析，结果表明，整 体模型虽然建模、划分单元和计算的工作量都远大于独立模型，但整体模型因为 町以反应厂坝的相互作用，使得结果更加符合实际，并能为厂坝结合部位的结构 设计提供可靠依据；对整体模型进行地震时程分析，并与整体模型反应谱分析结 果对比，分析两种方法的优缺点。 4 、考虑机组振动情况，按规范计算机组强迫振动频率，对机组运行中可能 出现的振源及频率进行计算分析，对是否 n 现共振进行校核；考虑机组振动对结 构的影响，给出机组振动下结构的最大动应力和动位移响应，从而指导厂房机组 的选型和布置设计。 5 、通过厂坝结构的整体静动力分析计算，综合评价设计方案的安全可靠性。 对厂坝联合作用下的整体地震动力分析目前研究很少，本文作了有益的尝 试，得出了有一定参考价值的结论和认识。 关键词：混凝土重力坝坝后式r + 房谱分析时程分析机组振动整体分析 a b s t r a c t a b s t r a c t n o ww i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fw a t e rc o n s e r v a t i o na n dc o n c r e t ed a m t e c h n o l o g y , m a n yh e i g h td a m sa n dl a r g er e s e r v o i r sw i l lb ec o n s t r u c t e di ns o u t h w e s t a n dn o r t h w e s tr e g i o n sw i t hp l e n t i f u lw a t e rr e s o u r c e ，a n dt h eg r a v i t yd a ma n df a c t o r y b u i l d i n ga td a mt o ea r eo f t e nc h o o s e d ，a tt h es a l a ct i m et h o s er e g i o n sh a sf r e q u e n t e a r t h q u a k eb e c a u s eo ft h eg e o l o g i cs t r u c t u r e i ti se n d a n g e rt h e i n d u s t r i a la n d a g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o n ，t h es a f e t yo fp e o p l e sl i f ea n dp r o p e r t yi nt h el a r g er e g i o n so f d o w n s t r e a mu n d e rt h eh i g hi n t e n s i t ys e i s m i ca c t i o n s oi t sv e r ys i g n i f i c a n tt h a t n u m e r i c a la n a l y s i st h er e s p o n s eo f t h es e i s m i ca c t i o nf o rt h ec o n c r e t eg r a v i t yd a ma n d f a c t o r yb u i l d i n ga td a mt o e t h i sp a p e rb a s eo na nh y d r o p o w e rs t a t i o n ，u s et h e m e t h o do fs t a t i ca n dd y n a m i c3 - df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，c a l c u l a t et h es t r e s sa n d d i s p l a c e m e n tr e s p o n s eo fc o n c r e t ed a ma n di t sf a c t o r yb u i l d i n gu n d e rt w ok i n d so f l o a dc h a r a c t e r i s t i c t h em a i nw o r k so f t h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 a c c o r d i n gt or e a d i n gt h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ll i t e r a t u r e s ，s u m m a r i z e d t h ed e v e l o p m e n ta c t u a l i t yo fc o n c r e t eg r a v i t yd a m ，i n t r o d u c e dt h er e l a t i v et h e o r i e s a n dm e t h o d so fd y n a m i c a la n a l y s i sa n dt h er e s e a r c ha c t u a l i t yo fg r a v i t yd a ma n d h y d r o - p o w e r s t a t i o nf a c t o r y 2 b yu s i n gf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n s y s ，b a s e do na nh y d r o p o w e rs t a t i o n ， t h eh o l i s t i c3 - df i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nm o d e lo fd a m ，b a c kp i p e ，a n df a c t o r y b u i l d i n gw a sb u i l t ，t oc a l c u l a t et h es t r e s sa n dd i s p l a c e m e n to fs t r u c t u r eu n d e rt w o k i n d so fl o a dc h a r a c t e r i s t i c ，a n dg a i nt h em a x i m a ls t r e s sa n dd i s p l a c e m e n to fd a m ， b a c kp i p e ，a n df a c t o r yb u i l d i n g 3 t h r o u g hs e l f - v i b r a t i o nc h a r a c t e ra n a l y s i so f t h es e p a r a t ea n dh o l i s t i c3 - df i n i t e e l e m e n ts i m u l a t i o nm o d e l ，t h es e l f - v i b r a t i o nf r e q u e n c i e sa n dm o d es h a p e so fs t r u c t u r e w a r ec a l c u l a t e d b a s e do nt h er e s u l t s ，t h es e i s m i cr e s p o n s ea c t i o ns p e c t r u mm e t h o d w a sg i v e nt ot h et h r e em o d e l s t h er e s u l t ss h o w st h a tt h eh o l i s t i cm o d e lw a sm u c h m o r ed i f f i c u l tt h a n s e p a r a t e m o d e li nm o d e lb u i l d i n g ，e l e m e n tm e s h i n ga n d c a l c u l a t i n g ，b u t i tw a sc o m p l e xc o n f o r mt or e a l i t ya n di tc a na l s or e f l e c tt h e i n t e r a c t i o no fd a ma n df a c t o r yb u i l d i n g t h eh o l i s t i cm o d e lw a sa n a l y z e db yd y n a m i c t i m e h i s t o r yt h e o r y , c o m p a r e dw i t ht h er e s u l to fs e i s m i cr e s p o n s ea c t i o ns p e c t r u m m e t h o d ，t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f t h et w om e t h o d sa r es t u d i e d 4 a c c o r d i n g t ot h en o r m s ，t h eg e n e r a t o rm i l t sf o r c e dv i b r a t i o nf r e q u e n c i e sw e r e c a l c u l a t e d ，t h eo p e r a t i o no ft h eu n i t sm i g h ta p p e a ro fo s c i l l a t o rf o c u sa n df r e q u e n c y l a b s t r a c t w e r ea n a l y z e d ，a n do nt h ew h e t h e rr e s o n a n c ec h e c k e d c o n s i d e rt h ei m p a c to f g e n e r a t o ru n i tv i b r a t i o no fs t r u c t u r e ，t h em a x i m a ls t r e s sa n dd i s p l a c e m e n to fs t r u c t u r e w e r ec a l c u l a t e dt od i r e c tt h ec h o i c eo f u n i t sa n dt h ed e s i g n 5 a c c o r d i n gt ot h es t a t i ca n ds e i s m i cr e s p o n s ea n a l y s i so fg r a v i t yd a ma n d f a c t o r yb u i l d i n g ，t h es a f e t ya n dr e l i a b i l i t yo f d e s i g nw e r ec o m p r e h e n s i v ee v a l u a t e d n o w , t h eh o l i s t i cs e i s m i ca n a l y s i sa b o u ti n t e r a c t i o no fd a ma n df a c t o r yb u i l d i n g i sr a r e l yr e s e a r c h e d t h i sp a p e rd o e sau s e f u la t t e m p ta n dg e t ss o m ec o n c l u s i o n sa n d u n d e r s t a n d i n g sw h i c hh a v er e f e r e n c ev a l u e k e y w o r d ：c o n c r e t eg r a v i t yd a m ；f a c t o r yb u i l d i n ga td a mt o e ；s e i s m i cr e s p o n s e a c t i o ns p e c t r u ma n a l y s i s ；d y n a m i ct i m e - h i s t o r ya n a l y s i s ；g e n e r a t o ru n i t v i b r a t i o n ，g l o b a la n a l y s i s i i 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 学位论文使用授权说明： 2 0 0 7 年7 月3 0 日 南京水利科学研究院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的 复印件或电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密 论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括 刊登) 授权南京水利科学研究院研究生部办理。 论文作者( 签名) ：2 0 0 7 年7 月3 0 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题的背景和意义 我国幅员辽阔，江河密布，水力资源极其丰富。从最近水力资源普查的情况 来看，我国水能资源理论蕴藏量达6 7 6 亿千瓦，可开发容量约3 7 8 亿千瓦，居 世界第一位。随着我国市场经济的加速发展，对电力的能源需求日益迫切，为了 充分利用我国的水力资源，考虑到水利具有发电成本低、建成后收效大、综合效 益好、对环境几乎无污染等优点，我国将大力发展水电。2 0 0 1 年到2 0 1 0 年这 1 0 年期间，我国西部大开发已经开始，三峡、国电公司的六大一小工程、溪洛 渡、向家坝以及水布垭、光照、紫坪铺、百色、尼尔基等一大批水电站将建成、 发电；东部及部分中部地区还要建设一批大中型抽水蓄能电站。水电站工程建设 促进了水工建筑物科学技术的发展。近年来，随着西电东送以及西部大开发战略 的实施，我国水利工程建设正处于蓬勃发展时期，其中，许多已建和正在建设的 混凝土大坝都处于强震高发斟，同时由于地质条件和厂坝结构非常复杂，对正 常运行工况下的结构工作性态认识还不够，因此对结构静力分析和地震反应研究 的重要性也越来越受到人们的关注。 要掌握水库大坝运行状况的安全可靠性，首先必须十分清楚地了解大坝在各 种载荷作用、环境因素和时间因素的影响下的变位、应力和应变等的力学规律， 在此基础上，经过分析研究，对大坝的运行状态做出评价，从而为设计提供依据。 目前，对重力坝及其厂房的分析和设计方法主要是采用分块设计和分析的，也就 是单独对坝体和厂房进行研究，而对于联接部位的设计，则主要依靠经验粗略的 进行估算，没有比较可靠的依据。为了更好的了解大坝和厂房结构整体的工作运 行情况，特别是大坝和厂房联接部位的工作性态，对厂坝整体模型进行静动力分 析是非常必要的。 地震破坏对城市而言，可造成房屋等建筑物倒塌、人员伤亡、公共设施崩溃、 工厂生产停顿等问题，但这种破坏仅限于当地。若地震作用在水库挡水建筑物( 水 坝水闸) 上，其崩溃将引起急浪涌波一泻千里，影响尤其重大。据不完全统计， 在9 个国家中至少有1 7 座混凝土坝经受过超过o 1 9 的地面运动作用，有4 座混 凝土坝在经受地震作用时的震源都小于7 5 k m ，如按冈本公式作近似估计，则坝 址处的最大地面加速度都大于o 1 9 。中国的新丰江单支墩大头坝、印度的柯依那 南京水利科学研究院硕士论文 ( k o y n a ) 重力坝、日本三面坝、日本管野坝、日本木地山坝、英国的黑溪( b l a c k b r o o k ) 重力坝、美国的帕克依玛( p a c o i m a ) 拱坝等，都曾经在地震作用下，在 坝颈、下游砌石问及坝段问等不同位置出现不同程度的裂缝，影响水电站的正常 运行，带来巨大的经济损失。 从全球范围看，根据中国数字地震台网( c d 踟和美国地质调查局国家地震 信息中心( u s g s n e i c ) 部分观测资料统计，2 0 0 6 年m ( 震级) 插0 地震共 有1 5 4 士3 次。其中 仑7 0 有“次( 速报台网1 6 次) ，m = 8 0 有1 次( 速报台网 次1 总计死亡和失踪超过6 9 0 0 人；致伤超过4 万( 大约4 0 6 0 0 ) 人；直接经济 损失估计超过1 0 亿美元1 2 1 。 对于地处环太平洋地震带和喜马拉雅地中海地震带之间的我国，地震频 繁，是一个多地震国家。自2 0 世纪初以来，共发生了3 0 0 0 次以上震级大于5 级 的破坏性地震，其中全世界发生的7 级以上强震中，中国占3 5 ，有3 次震级 为8 5 级以上的巨大地震发生在我国f 3 l 。同时，大多为浅源地震，震级和频次都 高，因而地震的破坏力极大。强烈的地震会给附近地区的建筑物造成严重的损坏， 从而造成人民生命财产的巨大损失。尤其是对河道上的坝工建筑物，特别是高坝 大库，万一遭受严重震害，将导致下游地区的严重次生灾害，后果将是灾难性的 f 4 】。因此，大坝等水工建筑物的安全问题将是至关重要的，关系到国计民生的大 事，需要引起足够的重视。 在我国，受地理和气候条件的影响，水力资源蕴藏量7 0 都集中在西南和 西北地区，而这些地区正是高烈度地震频发地区，而且地质条件复杂。随着西部 大开发战略的实施和我国对电力能源的需求以及筑坝技术的快速发展，水力资源 丰富的西南和西北地区的水电开发倍受重视。重力坝凭借其安全可靠、设计施工 技术简单、对地形和地质的适应性强和便于施工导流以及枢纽泄洪问题容易解决 等一系列优点，在世界各国被广泛采用。特别是二十世纪八十年代，出现了采用 超干硬性混凝土和振动碾压方式的筑坝技术，使得混凝土重力坝技术出现了巨大 的飞跃。这种碾压混凝土重力坝在施工速度和工程造价上较常规混凝土重力坝有 明显优势，一出现就在世界各国得到广泛推广。特别是在我国发展最为迅速，不 仅在数量上，而且在筑坝高度和科技发展上均居于世界前列。 在复杂的地质条件下筑坝，对设计单位提出了很多问题。在设计是单纯的依 2 第一章绪论 靠规范仅能解决一些常规的问题，而为了安全一味的通过增加材料强度，提高设 计安全度，经济成本又过高。目前，比较通用的方法就是通过数值模拟的方法， 为设计提供更多的参考依据，由于有限元分析方法具有处理任意复杂体形和复杂 的边界条件的能力而被广泛采用。 目前，针对重力坝及其厂房的分析和设计主要采用的方法是分块进行研究， 也就是分别对坝体和厂房进行分析研究，这样的研究方法虽可满足工程精度，但 无法反映出厂坝的相互作用。特别是厂坝联接部位的设计，目前主要还是依靠经 验进行粗略的估算，缺乏可靠的依据。为此，本文通过厂坝整体分析，对厂坝联 接部位的工作性态进行研究，从而指导厂坝联接部位的结构设计。 1 2 国内外发展概况 1 2 1 混凝土重力坝及厂房结构发展概况 利用筑坝材料的自重挡水是坝工设计中最早形成的一个概念。重力坝也是最 早出现的一种坝型。据考证，最早的坝建于近五千年前【贝。这些初期的重力坝都 是利用松散石料建造的，尚未使用灰浆浇砌，而且底宽和高度比都比较高，大概 在4 5 ：l 左右。随着生产力的发展，到十五世纪，由于灌溉事业的发展，在西班 牙出现了灰浆砌筑的圬工坝1 6 1 。由于使用了灰浆砌筑，坝体的强度和整体性高， 使得坝体断面可以变小，与现代混凝土重力坝更为接近，是重力坝的雏形，人们 开始称这种坝为圬工重力坝。到十七世纪，随着科学技术的发展，合理的设计理 论开始孕育，在法国出现了第一批坝工工程师。1 8 5 8 年，法国工程师狄落克里 ( m d e l o c r e ) 建造了富伦斯( f u r e n s ) 坝，并将设计方法和改进意见在1 8 6 6 年发表，这标志着一个实用的重力坝设计理论的诞生【5 】口到十九世纪，水泥开始 出现在坝工建设中。十九世纪末开始出现块石混凝土坝( c y c l o p e a nc o n c r e t e d a m ) ，混凝土在坝中的作用是用来填塞石块间空隙的，石块约占坝体总体积的 5 0 。到了二十世纪初，由于混凝土工艺和施工机械的迅速发展，逐渐显示出埋 石施工进度慢，混凝土和块石两套施工系统复杂不方便等缺点，乃逐渐改用混凝 土浇筑，从而形成现在的混凝土重力坝。美国的箭石( a r r o wr o c k ) 坝和象岗 ( e l e p h a n tb u t t e ) 坝，就是第一批出现的混凝土重力坝 5 3 。之后，重力坝有了长 足的发展，因其设计理论简单，有利于泻洪，并在地震条件下安全性大等缘故， 被世界各国广泛采用。 南京水利科学研究院硕士论文 在我国，从二十世纪五十年代开始，开始出现混凝土重力坝。以新安江和古 田一级两座宽缝重力坝为代表。二十世纪六十年代建成丹江口宽缝重力坝和刘家 峡、三门峡两座实体重力坝。为了多快好省地建设这些大坝，我国坝工工程人员 努力探索减少工程量的途径，逐渐发展了宽缝重力坝和空腹重力坝这两种坝型。 这两种坝型虽然在外国也有采用，但研究工作不及我国深入，采用也不及我过普 遍。 重力坝之所以能如此长久的被全世界广泛采用，主要具有以下几方面优点； ( 1 ) 对地形和地质条件的适应性较好。重力坝由于主要靠自重维持稳定， 坝的断面较大，对基岩的压强小于同高度的拱坝，中低型重力坝对基岩强度的要 求不高，除了较高的重力坝( 如三峡大坝，最大坝高1 8 1 m ) 需要建造在强度较 高的岩基上并对岩基进行灌浆等加固工作之外，具有一般强度的基岩都可适用于 建造中低型重力坝【7 】。同时重力坝不像拱坝那样靠两岸岩体来维持稳定，它适合 于建造在地形很开阔而覆盖层不很深的河道上。 ( 2 ) 安全可靠。由于重力坝的断面尺寸比较大，与地基接触面积广，应力 比较低而且分布均匀，同时防渗性强，耐久性好。因而对于抵抗长期渗漏，意外 荷载，地震，特大洪水漫顶和战争破坏能力都比较强。 ( 3 ) 设计施工简单。重力坝的结构概念明确，设计方法比较简单，施工技 术也容易掌握【5 】。它便于布置和设计坝上溢洪道，布置和设计坝内泻水孔、引水 管，在上游坝面设计取水建筑物，在坝内或大坝下游布置和设计水电站厂房等。 设计和计算比拱坝、土石坝和其他坝型简单，而且在旋工期允许洪水短时间漫过 坝顶。 同时，从结构、设计和施工等方面看，重力坝也有如下一些缺点忉： ( 1 ) 由于重力坝主要靠自重来维持稳定，因而大坝断面较大。 ( 2 ) 如果筑坝材料大部分采用浆砌石活全部采用浆砌石，则费人工很多， 同时施工质量不太保证，而且筑坝速度很慢，推迟效益，不适合现在大型水利水 电工程建设的需要，如果筑坝材料采用混凝土，由于断面大，坝内压应力较低， 混凝土抗压强度未能充分利用，再加上扬压力作用面积较大，总扬压力比同一高 度的其他混凝土坝大 ( 3 ) 由于需要的混凝土量大，所以水泥的外来运输量也比较大，需要增加 4 第一章绪论 施工道路和运输费用。 ( 4 ) 由于大坝断面很大，混凝土散热速度很慢，因而增加了温控的难度。 多年来，各国对重力坝的设计和施工的总趋势就是尽可能地降低扬压力，改 进重力坝的结构形式，改善混凝土工艺，简化施工以加快进度，降低造价等。从 而有针对性地解决和削弱这些不利因素，为重力坝的更广泛应用提供技术保障。 水电站是随着工业发展和远距离电力的输送技术的发展而出现的。随着经济 的发展，人们对电力的需求量与日俱增，火力发电无法满足人们的需求，同时由 于水电的可再生性，几乎无污染，一次投资可长期受益等特点，被人们广泛关注。 水电站厂房结构【8 】按照发电机组的作用水头，可分为低水头厂房，中水头厂 房和高水头厂房；按水电站的开发方式可分为河床式厂房，坝后式厂房和引水式 厂房；按照机组装置方式可分为立式机组厂房和卧式机组厂房；按厂房结构类型 和布置方式可分为坝后式厂房，河床式厂房，溢流式厂房，挑越式厂房，坝内式 厂房，地下式厂房，引水式地面厂房，坝垛式厂房，露天或半露天式厂房，贯流 式机组厂房和抽水蓄能电站厂房。本文重点讨论的是采用坝后背管连接的坝后式 厂房，其结构特点是：位于坝趾下游，紧靠大坝，厂房纵轴线一般与坝轴线平行， 呈一列布置，但也有随地形、地质及坝型等条件的限制采用其它的布置形式。采 用永久竖直缝与大坝分开，不承受上游库水压力，坝体和厂房之间有钢衬钢筋混 凝土背管联接，在厂坝分缝处设伸缩节。 1 2 2 混凝土坝静动力计算方法概述 混凝土重力坝主要具有以下几个方面的优点：安全可靠、设计施工技术简单、 对地形和地质条件的适应性较好、施工导流和永久性泻洪问题容易解决。但是用 科学的方法探索重力坝的历史毕竟才刚刚一个世纪多一点。控制重力坝工程量和 安全度的设计原则基本上还是上个世纪中叶建立的，在很大程度上仍然依赖于经 验。因此，发展和使用现代的分析计算方法在重力坝的设计就显得尤为重要，同 时，各种新的理论的不断涌现，也为重力坝的设计理论提供了崭新的理论工具。 目前，在重力坝的静力计算分析中正在应用和研究的主要有以下几种方法： 1 重力法 十九世纪三十年代，美国垦务局的克恩等人在前人的经典理论分析方法的基 础上，发展成了一套完整的方法，称为重力法。这个方法是在水平断面上的正应 南京水利科学研究院硕士论文 力呈直线分布的基本假定的基础上，引用单元微分体的应力平衡方程式，引出坝 内其它应力分量和主应力的完整应力解答，这种方法为包括我国在内的许多国家 所采用。 重力法也称“重力分析法”或“线性分析法”，我国的混凝土重力坝设计 规范中还称之为“材料力学法”重力法是设计中最常用的。因为它计算简便， 用面广，而且经过理论上和模型试验的反复验证，还有大量己施工坝的实际考验， 有一套比较成熟的应力控制标准，虽然它并不能反映坝体内实际的应力情况，如 不能反映地基、孔口的影响，但却能控制大坝的强度安全，成为各国规范中普遍 采用的方法。所以我国的混凝土重力坝设计规范规定，高度在7 0 米以下的中、 低型重力坝，可以直接用这一方法设计，不必再用其它方法计算。高度在7 0 1 0 0 米左右的坝，也仍可采用这种方法分析设计，但同时应用弹性理论方法进行 校核。 2 有限单元法 有限单元法简称有限元法，该法在二十世纪五十年代由克拉夫等人提出并应 用于飞机的结构分析中，它是从结构工程的直观模拟角度命名的，并在以后的发 展中在水工结构的分析计算中得到了广泛的应用，取得了可喜的成果。使用有限 单元法对重力坝进行应力分析，可以考虑复杂的边界条件和荷载情况、坝体与地 基的接触区、不同混凝土材料的分区以及地基的复杂地质结构等问题。并且随着 计算机软硬件技术和可视化技术的发展，有限元分析软件的前后处理能力又有很 大提高，使大坝的分析工作更加自动化但是，有限元法的计算结果的可靠性还是 有赖于计算模型与实际结构的近似程度以及所用参数能否反映实际情况等因素 的影响。从目前的情况看，世界各国迄今为止还未能制订出与之相适应的应力控 制标准。因此，有限元法还不能完全代替传统的应力分析方法。 实际的坝体，无论是混凝土还是基岩，特别是带有夹层、破碎带的坝基材料， 其本构关系只在一定范围内近似呈线弹性关系，当应力达到一定值之后，材料的 本构关系就不再呈线性变化，还会出现塑性变形，应力再增加还会出现材料破坏 而不连续。对这种情况就要用非线性理论进行求解。近年来，非线性有限元法法 发展很快，在大坝等水利工程上的己经得到应用。非线性有限元理论主要的应用 理论基础包括弹塑性理论、粘弹塑性理论、混凝土的徐变理论、弹塑性断裂理论 6 第一章绪论 以及连续介质损伤理论，目前己经有学者将这几种非线性理论引入到大坝的有限 元分析中，并且取得了很好的应用效果。 非线性有限元计算所采用的材料本构模型和破坏模式，对于计算结果的影响 是十分重要的，尽管目前许多学者己经提出了很多的本构模型和破坏准则，但是 它们的使用范围都有一定的限制，而且需要更多的实际工程的验证，这是阻碍非 线性有限元理论在大坝工程中应用的一个主要原因。所以，进一步研究大坝的非 线性材料本构关系和破坏准则是一个具有十分重要现实意义的课题。 同时，重力坝的抗震分析也是非常重要的研究课题。通常坝体抗震研究的方 法有动力计算、动力模型试验和原型观测。在现场进行原型观测( 包括实际震害 调查) ，无疑是认识结构的动力性态最直接最可靠的方法，而且也是验证理论分 析、模型试验方法和成果的重要依据，但由于地震的随机性，很难普遍和准确的 进行原型观测，因此对重力坝抗震性能的研究多以动力计算和动力模型试验为 主。 自从1 8 9 9 年日本学者大森房吉首次提出用于结构抗震设计的静力法以来， 重力坝的地震反应分析方法经历了从静力法到动力的反应谱法和动态的时程分 析法这三个阶段的演变过程 9 1 。 弹性静力法理论又称拟静力法，是由日本学者大森房吉在1 8 9 9 年首次提出 的，他假定结构为绝对刚性，因而结构任何一点的加速度都与地面加速度相同。 地震惯性力可看作由结构质量、重力加速度和地震系数( 地面运动最大加速度和 重力加速度的比值) 三者的乘积所表示的静荷载；动水压力和土压力等荷载也是 基于结构为刚性而求出最大值，也作为静荷载。这种方法在当时是比较有效而且 快捷的方法，假设结构为绝对刚性对于一般建筑物来说也基本适用。 随着人们对地震动特性的了解和对结构振动分析理论的深入研究，基于动力 学的地震反应分析理论得到的发展。1 9 3 2 年，美国研制出第一台强地震记录仪， 开始进行对地震台网的布置，并在1 9 3 8 年的海伦那( h e l e n a ) 地震和1 9 4 0 年的 爱尔森居( e 1 c e n t r o ) 地震中得到很典型的强震记剥堋，为进行结构动力学的研 究提供了宝贵的资料。1 9 4 3 年，m a b l o t 提出了反应谱的概念，并给出了世 界上第一条弹性反应谱曲线。1 9 4 8 年，g w h o u s n e r 提出了基于加速度反应 谱曲线的弹性反应谱曲线。1 9 5 6 年，n m n e w m a r k 率先将反应谱法应用于实 7 南京水利科学研究院硕士论文 际工程设计，并在实际地震中得到验证，自1 9 5 8 年第一届世界地震工程会议以 后，反应谱法得到世界上许多国家的认同，并逐渐被采纳应用到结构抗震设计规 范中。我国1 9 5 9 年抗震规范草案就采用了反应谱理论，并在以后各次的规范修 订中不断完善和发展【“埘反应谱理论考虑了结构动力特性与地震动特性之间 的动力关系，同时保持了原有的静力理论形式。它基于以下三个基本假定：( 1 ) 假定结构地基相当于刚性平面，各点的运动完全一致；( 2 ) 地面的运动可以用强 震观测仪器的记录来表示；( 3 ) 结构是弹性的。对于多自由度体系，可以将它的 振动分解为不同振型的组合，而每个振型的最大反应仍可以用反应谱求得，最后 把各振型的最大反应按一定的方式组合起来求得体系的最大反应。反应谱法比弹 性静力法有很大的进步，代表了动力分析的新思路和途径。不过经过实践检验， 反应谱法有其本身的不足之处。反应谱法虽然考虑了结构的动力特性而产生的共 振效应，但在设计中仍把地震惯性力视为静力，只是一种准动力的理论；同时， 反应谱法不能反应地震持续时间对结构的破坏作用；反应谱是根据弹性结构的地 震反应绘制的，当结构在强烈地震作用下进入塑性阶段时，用此法计算将不能得 到真正的结构地震反应，也判断不出结构真正的薄弱部位1 1 3 l 。对于长周期结构， 地震动态作用下地面运动速度和位移可能对结构的破坏具有更大影响，但是振型 分解反应谱法对此无法作出估计。 时程分析法是一种从二十世纪六十年代开始发展起来的体现动力思想的抗 震分析方法，它是用数值积分求解运动微分方程，在数学上称为逐步积分法。它 把地震运动视为一个时间过程，把结构简化成单自由度或多自由度体系，根据结 构的惯性力、阻尼力和恢复力的平衡关系建立运动方程。运动方程中的地震运动 加速度不能用数学式子表示，而是采用把加速度时程曲线按很小的时段划分，逐 段对运动方程进行数值积分。由初始状态开始积分至地震终止，求出结构在地震 作用下从静止到振动，直至振动终止整个过程的地震反应。同时还可以根据结构 是否存在非线性，将时程分析分为线性时程分析和非线性时程分析。随着电子计 算机的飞速发展，时程分析法得到了更为广泛的应用，特别是对体系复杂结构的 非线性地震反应，时程分析是理论上唯一可行的分析方法，目前很多国家都将此 方法列为规范采用的分析方法之一。 3 第一章绪论 1 2 3 数值分析发展概述 有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元的概念早 在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形( 有限个直线单元) 逼近圆 来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。有限元法最初被称 为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，由于其方便性、实用性和有效 性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算 机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎 所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方 法。 有限元方法与其他求解边值问题近似方法的根本区别在于它的近似性仅限 于相对小的子域中。2 0 世纪6 0 年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克拉 夫( c l o u g h ) 教授形象地将其描绘为：“有限元法= r a y l e i g hr i t z 法+ 分片函数”， 即有限元法是r a y l e i g hr i t z 法的一种局部化情况。不同于求解( 往往是困难的) 满足整个定义域边界条件的允许函数的r a y l e i g hr i t z 法，有限元法将函数定义在 简单几何形状( 如二维问题中的三角形或任意四边形) 的单元域上( 分片函数) ， 且不考虑整个定义域的复杂边界条件，这是有限元法优于其他近似方法的原因之 一a 有限元分析( f e a ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) 的基本概念是用较简单的问题 代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组 成，对每一单元假定一个合适的( 较简单的) 近似解，然后推导求解这个域总的 满足条件( 如结构的平衡条件) ，从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是 近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准 确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效 的工程分析手段。 近年来随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，有限元分析在工程设 计和分析中得到了越来越广泛的重视，已经成为解决复杂的工程分析计算问题的 有效途径，现在从汽车到航天飞机几乎所有的设计制造都已离不开有限元分析 计算，其在机械制造、材料加工、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器，国防 军工，船舶，铁道，石化，能源，科学研究等各个领域的广泛使用已使设计水 9 南京水利科学研究院硕士论文 平发生了质的飞跃，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 增加产品和工程的可靠性： ( 2 ) 在产品的设计阶段发现潜在的问题； ( 3 ) 经过分析计算，采用优化设计方案，降低原材料成本； ( 4 ) 缩短产品投向市场的时间； ( 5 ) 模拟试验方案，减少试验次数，从而减少试验经费。 国际上早在6 0 年代初就开始投入大量的人力和物力开发有限元分析程序， 但真正的c a e ( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ) 软件是诞生于7 0 年代初期，而近 1 5 年则是c a e 软件商品化的发展阶段，c a e 开发商为满足市场需求和适应计算 机硬、软件技术的迅速发展，在大力推销其软件产品的同时，对软件的功能、性 能，用户界面和前、后处理能力，都进行了大幅度的改进与扩充。这就使得目前 市场上知名的c a e 软件，在功能、性能、易用性、可靠性以及对运行环境的适 应性方面，基本上满足了用户的当前需求，从而帮助用户解决了成千上万个工程 实际问题，同时也为科学技术的发展和工程应用做出了不可磨灭的贡献。目前流 行的c a e 分析软件主要有n a s t r a n 、a d i n a 、a n s y s 、a b a q u s 、m a r c 、 m a g s o f t 、c o s m o s 等。 1 2 a 混凝土熏力坝及厂房静动力分析现状 随着有限元技术的发展，人们利用有限元软件对混凝土重力坝及厂房进行了 很多的数值模拟，从不同的角度，对重力坝和厂房以及连接背管做了大量的研究 工作 对混凝土重力坝，由于坝体本身结构的原因，可以根据弹性力学中平面应变 问题，对坝体进行简化，将三维的问题简化为二维平面问题。这样的简化大大减 小了建模划分单元的工作量，也使得计算得到了很大程度的简化。这样的简化在 静力计算中比较合理，但在做动力计算时，就会带来一定的问题。因为这样的简 化相当于人为的增加了系统的刚度，使得得到的固有频率变大，同时由于将三维 的结构简化成二维，使得有一个方向上的振型被过滤掉，计算结果中无法反应出 来。特别是对于混凝土重力坝，由于有分缝的存在，使得坝体不连续，在使用平 面应变对坝体进行简化时，动力计算得到的振型中，会有比较低阶的频率被过滤 掉，使得计算结果不精确，但作为一般的研究工作，二维平面模型完全可以满足 1 0 第一章绪论 要求。杜成斌，洪永文在对拟建的龙滩碾压混凝土重力坝挡水坝段进行地震响应 分析时，采用的就是平面简化的模型，考虑参数的不确定性，对模型进行上千次 的随机数值计算，根据概率论和数理统计原理给出了在9 5 置信度下重力坝关 键部位的位移、应力响应，并给出其响应分布的直方图，所得结果还与确定性 的时程响应的结果进行了比较，同时还给出了关键部位开裂概率【l 钔。邱战洪，张 我华，任廷鸿在对龙滩混凝土重力坝在地震荷载作用下系统的非线性动力损伤分 析中，把非线性动力损伤的概念引入岩石类介质的本构模型，分别提出岩石类材 料的脆性动力损伤和粘弹塑性动力损伤破坏模型。同时，将损伤、渗流及孔隙率 演化等相互耦合的有效应力概念引入莫尔库仑破坏准则，用于分析在渗流压力、 损伤发展、孔隙率演化和动应力共同作用下堤坝及岩基系统的非线性地震动力损 伤。采用的也是二维平面模型【1 5 l 。黄劲松，潘燕芳，闫慧玉在对大朝山碾压混凝 土重力坝进行静动力有限元分析时，考虑不同的载荷工况，对两个坝段进行了静 动力分析，采用的也是将三维的实体简化成二维的平面模型【嘲。此外，还有众多 学者做过这方面的工作，由于比较相似，受篇幅的限制，不一一叙述。 对于一些内部结构比较复杂的混凝土坝段，结构不满足平面应变条件，在处 理时就不能简化为二维平面问题，只能采用三维模型来处理。三维模型虽然建模 很复杂，划分单元的工作量和计算量都远大于二维模型，但它能比较真实的反应 实际问题。对于厂房结构或者厂坝联合分析，由于结构非常复杂，也只能采用三 维模型来分析。武汉大学位敏在其硕士论文中，采用a n s y s 软件建立三维有限 元模型，结合金安桥水电站工程实例，模拟复杂岩基条件下对厂房坝段进行有限 元模拟，采用两种模型对比计算分析了动力特性和在地震作用下的动力响应及其 分布规律，并在此基础上对坝体的抗震安全进行了深入的探讨和研究【 】。武汉大 学唐碧华在其硕士论文中，采用a b a q u s 软件建立三维有限元模型，对龙滩水 电站进水口坝段几个典型工况进行了静动力分析【ls 】。李正农，杨世浩等为了研究 混凝土重力坝厂房坝段的发电引水管道入口形式，建立单孔口和双孔口两种方案 的进水坝段三维有限元模型，论文从结构抗震的角度对单、双孔口两种方案进行 动力有限元分析、研究，比较了两种方案的优缺点，得出了一些有意义的结果【1 9 】。 孙大伟，田斌结合思林水电站的工程实例，为论证岸坡坝段的坝体与坝基排水设 计的合理性，为稳定分析、应力分析提供渗流荷载计算参数，采用三维渗流有限 南京水利科学研究院硕士论文 元方法对正常蓄水位、校核水位情况下岸坡坝段的坝体坝基进行了计算分析 阅。邹德兵，张建海等结合土卡水电站的工程实例，建立三维有限元模型，考虑 厂房坝段以及坝后式厂房的整体的结构应力和稳定性分析。土卡水电站为河床式 电站，大坝和厂房底板联成一体，共同挡水，大坝和厂房之同没有厂坝分缝，也 没有采用背管连接坝体和厂房。论文以一个机组段作为计算对象，采用数值模拟 方法进行了各种控制工况下的静力计算以对厂房坝段整体结构的变位、受力情况 作全面的了解。