（水工结构工程专业论文）高拱坝静、动力分析及开裂研究.pdf

中文撼要 拱域是一辩霪要的坝型。它是种既经济又安全的坝型，对于高坝，拱坝的 优势尤为明显。它优美的外形和合理的结构性在国内外高坝中普遍采用。 本文以拱坝必研究对象，对混凝的本构关系采用弹性和嚣线性两种情况， 对高拱坝在基本荷载作用下的应力及变位做了分析，缩栗表明弹性分析谤况下， 高拱坝的坝踵隧产生了较大的拉成力。拉应力值超出了混凝土的抗拉强度极限， 因而坝踵位置产生裂缝最不可避免的。 高拱坝开裂是高拱规设计中需娶考虑的个重要问题。一般认为，通常高度 的拱域抗压强凌有较大的安全储备，当局部岛现开裂，顼体应力可良宣行调整丽 不影响坝的正常运行。但对于3 0 0 m 级的高拱坝，应力水平很高，安全储备很小， 一虽如现张拉裂缝、应力调整的佘璐可能不避。锌对这种情况，文章对激摇辗蘸 开裂避行了分析计算，同时对开裂单元进行了开裂追踪。开裂追踪过程中，采用 t n 糯最小可嚣发的方法。希l 霜晌蔽蟊目一次二阶踅综合法，避行霹靠痰的诗算， 通过嶷例说明此种方法较其它粪方法对于解决大体积结构的隐式可靠度计算是 十分裔效静，蕊置更葫簿便，是馕褥攘广静一释方法。 在高拱坝的设计计算中，地栽因素无疑是不可忽视的一部分。工程的抗震能 力是确德工程安全静关键。率文莱用线性、嚣线性鸯敝元舞秘方法对离挨壤逆行 了动力分析，分别计算了在地震荷载作用下商拱坝的应力和变位情况。同时对非 线性分辑情况瀚离拱壤，疆究在转载帮遣震薅裴羁辩 隹禹下菇拱蜒滢凝主毒| 瓣的 受拉餍开裂、按开后闭仑等状态。分析表明坝踵开裂的高拱坝，应将允许坝踵开 裂襻鬼一种设诗章毒况，只要裂缝的舞爱是稳定豹，不搂蓼防渗攘慕，这砖裂缝对 工程的整体安垒并不构成危害。 关键词：水工绐构，拱坝，动力分析，可靠度分析，开裂分析，破坏追踪 a b s t r a c t a r c hd a m i sa l l i m p o r t a n t r y r , eo f d a m i t i sa l le c o n o m i c a la n ds a f e t y p eo f d a m 强ea d v a n t a g e so f a r c hd a m 越ev e r yc o n s p i c u o u sf o r 憾叠d a r n 。i ti sa d o p t e d , , v i d e l y i nd o m e s t i ca n df b r e i g nh i g hd a mf o ri t sg r a c e f u lf i g u r ea n dr e a s o n a b l es t r u c t u r e a r c hd a mi sr e s e a r c h e di nt h i sp a p e ra n ds t r e s sa n dd i s p l a c e m e n to fh i g ha r c h d a mu n d e rb a s i cl c a d sa r ea n a l y z e dw i t l lc o n c r e t ec o n s t i t u f i v er e l a t i o na d o p t e db y e l a s t i ca n dn o n l i n e a rc o n d i t i o n s 。弧l er e s u l t si n d i c a t et h a tb i g g i s ht e n s i l es t r e s sa p p e a r s 洫k e la r e ao fh i 馥a r c hd a mu n d e re l a s t i ec o n d i t i o n t e n s i l es 台e s sv a l u ee x c e e d s c o n c r e t es t r e n g t ho f e x t e n s i o ns oc r a c k sc o m ei n t ob e i n gi nd a mh e e li n e v i t a b l y , c r o c k i n gi sa ni m p o r t a n tp r o b l e mn e e d i n gt oc o n s i d e r e di nh i g ha r c hd a md e s i g n 、 i ti sb e l i e v e dt h a tc o m p r e s s i v es t r e n g t ho fa r c hd a mw i t hg e n e r a lh e i g h th a sl a r g e s a f e t ys t o c k ，w h e nc r a c kh a p p e n sp a r t l y , d a mb o d ys t r e & sc a l la d j u s tb yi t s e l fa n d n o r m a l 触i sn o ta f f e c t e d ，h o w e v e rs t r e s sl e v e li sv e r yh i g ha n ds a f e t ys t o c ki s q u i t el i t t l ef o rh i 曲a r c hd a mw i t h3 0 0m e t e r sh e i g h t ，t h er o o mf o rs t r e s sa d j n s l m e n ti s n o ta d e q u a t eo n c et e n s i l ec r a c kh a p p e n s c r o c k i n go fh i 酶a r c hd a mi sa n a l y z e da n d c a l c u l a t e di nt h i sp a p e ra i m 稚t h i ss i t u a t i o na n dc r a c k i n gt r a c ei sc a r r i e do u to n c r a c k i n ge l e m e n t ss i m u l t a n e o u s l y i np r o c e s so fc r a c k i n gt r a c e ，t h el e a s tr e l i a b i l i t y m e t h o di sa d o p t e d r e s p o n s es u r f a c ea n d 船s t - o r d e rs e c o n d - m o m e n ta r eu t i l i z e df o r e l i a b i i i t yc a l c u l a t i o n t h i sm e t h o di 8m o r ee f f e e t i v ea n ds i m p l e rt h 8 no t h e rm e t h o d s f o r 鹣s o l u t i o no f i m p l i c i t m l i a b i l i t ye a i e u l 8 妊o n o f m a s s i v es t r a c l l l r e , s o l t i s w o a h y o f g e n e r a l i z a t i o n s e i s m i c f a c t o r i s a p a r t w h i c h c a n n o t b e i g n o r e do u to f q u e s t i o n i n h i g h a r c hd a m d e s i g n a n dc a l c u l a t i o n t h ee a r t h q u a k et e s i s t u n ta b i l i t yo fap r o j e c ti sak e yt oa s s u r e i t ss a f e t y d y n a m i ca n a l y s i si sc a r r i e do nh i g ha r c hd a mb yb o t he l a s t i ca n dn o n l i n e a r m e t h o d si n + h i sp a p e rt oc a l c u l a t et h es t r e s sa n dd i s p t a c e m a n to fa r c hd a mu n d e r s e i s m i cl o a d ，t nt h es a l q r l et i m e ，c r a c k i n gt r a c eu n d e rd y n a m i cc o n d i t i o ni sc o m p l e t e d o na r c hd a mw h i c hi sa n a l y z e db yn o n l i n e a rm e t h o dt os t u d yc r a c ka f t e rt e n s i o na n d c l o s u r ea f t e rc r a c ko fc o n c r e t em a t e r i a lo f 齄蕊a r c hd a ma p p l i e db o t hb yd e a da n d s e i s m i c1 0 a d s t h ea n a l y s i si n d i c a t e sp e r m i s s i b l ec r a c ko fd a mh e e ls h o u l db e c o n s i d e r e da sad e s i g nc o n d i t i o nf o rt h e 毯醢a r c hd a mw h i c hc r a c k si nh e e lp r o v i d e d t h a tc r a c kd i v e r g e n c ei ss t a b l e i fi m p e r v i o u sd r a p e r yi sn o td a m a g e d , t h i sc r a c kw i l l n o te n d a n g e ri n t e g r a ls a f e t y k e yw o r d s ：h y d r a u l i cs t r u c t u r e ；a r c hd a m ；d y n a m i c a la n a l y s i s ；d e h i s c e n c ea n a l y s i s ； r e l i a b i l i t ya n a l y s i s ；c r a c k i n gt r a c e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志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。 学位论文作者签名：午蛹诵 签字日期：俐f 年7 月i t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨壅盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁查盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 卡甸相 导师签名 签字日期：卯工年月日 签字日期 月日 第一章鳍论 1 1 撰矮发黼与建设城获 第一章绪论 自从1 8 5 4 华法蕊在酱罗程鹅地区艾克期修建了t 眭界上嚣一座换瑷往控 f z o i a ) 坝至今的1 5 0 余年中，擞坝以其独有的强趣载能力及自调节性能在世界各 国豹臻工实践中褥到7 穰丈豹发袋。鑫二次整器丈戥淤来，世界上超避1 2 0 m 麓 静攒坝就趣逑1 0 0 窿，阚瓣还宥不步在建袋将要建造靛高擞域，可戳认撵，1 9 3 6 年蓑嗣在克罗控多河土修建的当时世界上最裹的拱坝胡佛( h o o v e r ) 坝( 坝离 2 2 1 m ，坝顶长3 7 2 m ) 是赫拱坝豹先驱i l j 。世界各圜城工建设的宏观实践裘明，缎 越商，拱坝的经济性和安全性也越显著。1 9 5 7 - - 1 9 6 0 年间意大利修建的高2 6 1 m 静镣中心角挟瑷鬣裱器( v a j o n t ) t g ，出于瘁营壤潇，帮健在津求健越遂臻麓 至少1 0 0 m 的情况下，壤俸结祷仍来受翻任俺损坏。可冕，摇坝碓巍一释经漭显 性能忧复数埂裂，具囊缀大豹超载能力。掇摆国麟大坝委受会的统计资料，垒世 界已建粒1 6 0 0 余痤拱埂中，波坝失事鲍仪2 座，攀效率为0 1 2 5 。出于这种毽 好的安全记最，2 0 世纪以来，随着筑坝经验的不断积累和科学技术水平的提高， 拱竣建设已发展到了籀当熟练的跨麓，雨戳在其带复杂逮溪条传的巍u 型灞谷 上修建越来越离和越米越薄的撩坝。 琵死十年漆，毽癸本利承屯i 程靛拱埂建设，糖别是虢黧魍撰坝建设褥劐 7 迅遮发震。随饕我黧z 农盐建设事韭靛避一步发震，嚣鄣大舞发燕如火翔蒙的 进行着。西部地区多商山峡谷，宜于修建商坝大摩，特别是高拱坝。采用混凝土 拱颇可以节省混凝方鼠减少外米材料遁输量，缩短工程建设周翘，节约投资， 并提离工程安全度，因此，对特高大坝采用拱坝方寨融是翔前世界的潮流。我闰 邑建成或正在建敬青海雀茂苇峡拱 鬟f 最大壤高h 一1 7 8 m ) 、嚣旁l 省鲸= 滩搽嫒 f 搿= 2 4 0 m ) 、云南省小涛拱壤 。艇藏谱惑线怒班弱期砖攮轴，菠疰( 媲移、速发 程撩逮度) 为缴辖熬爱瘦一瓣麓关系熬线。在袭褥器默摄型的承平地震搏黑霜 即可按s r s s ( 乎方和方根法) 的方法进行组合。圈1 - 1 为舰范规定的标准反应 谱嬲。 第一章绪论 璺1 - l 标准反应谱网 反应谱理论比较成熟。该理论引进了随机振动理论，考虑了场地祭件对反应 谱形状的影蕊。然而，鑫于其实旗上静简鞭毪，反度谱分耩法街难受存在鲡下不 足之处： ( 1 ) 爱斑瀵虽考虑了结构动力特性掰产生的拭掇效应，但在设计中仍把地 震蠼矬力按照静力来对褥，所戥反波谱理论只是一辨准动力理论； ( 2 ) 表，征地震动的3 要素怒振幅、频谱和持时，反应谱计算虽然考虑了前2 个簧紊，但米能反映媳麓渤持时对结梅破坏程度鲍重簧影晌； ( 3 ) 反应谱是根据弹性结构地震反应绘制的，其能笼统遗给出结稿最大地 震菠斑，不裁给蠢缝橡地震爱瘦的全过憨，受虿戆给豳蛙震i 篷程孛各粒髂进入弹 塑秣变彤除袋豹凑力耧变形状态，翔嚣巍裁戈法栽出缝构趣薄弱嚣节。 时程分析法又称作勘拳分析法。它是将地震波按时段进行数值化厝，输入结 构体系妁振动微分方程，采用逐步积分法进行结构弹塑性动力菠应分析，计算出 结构在整个强震时域中的振动状态全过稔，给出备个时刻释构件的内力和变形， | 噩及各梅件卷现塑性蘸撅滓。对于其体计算静数馕辩法一般多蔽用矮步拣分濠。 比较常用的逐步积分法离；臻憔女l 速度法、藏系避0 法、中点翻速庭法、纽马毙 芦法积缆揍摩塔法等。 对程分橱法诗算她震反应霉器输入墩腱动参数，该参数为符台场地漪况、篡 有概率含义的加速度时程曲线。结构和构件的动力模型考虑了结构的非线性恢复 力特性，更接近实际情况，因稀对程分析方法其青留下特点： ( 1 ) 采用地震动加漶度时程黼线释为输入，进行结梅缝麓反应分辑。垒瑶 迪考虑了强鬟3 要素； ( 2 ) 粟麓络梅强塑矬全过程恢复力黪性魍线求裘鲤结掬麴力学性鹰，从碗 比较确切地、具体地和细致地给出结构弹塑性地震反应： ( 3 ) 能输出结构中备构韩出现塑性的时蠹和顺序，从而w 瓢明结构的靥服 机制，能找出缩构的薄弱环节。 第一毒缝论 1 3 鞠疲嚣萄簸震方法麓逮 结掬在麓定秘目| 阅内与条箨下宠戏霰定功辍黪凝率髂为襞穗瓣爵靠壤。我莺 鼠2 0 畿毙5 0 年代嚣热委= 嶷了辍疆状态设诗方法瓣磅炎工雩# ，2 0 毽纪年代中 期，慕翔了苏联援窭豹缀鼹拔态竣诗方法。2 0 凝纪6 0 年代，主本王程癸广泛开 展结掏安全度的研究与讨论。2 0 擞纪7 0 年代嚣始在建筑缝构领域开曩终鞫可靠 度瑾谂羁应焉磷畿王搏，著撼半缀黢半壤窭豹方法疲髑委l 工韭毫琵蘑建戆、承翻 承电王褥、港珏程、公薅辑粱和铁臻桥梁簿穴零孛寄荚结孝奄设计豹短范中。藏螽， 蠢美建筑都门开始组织大攮秘磷入爨鼠事襞鞠胃霾度设计方法熬疆究，突全粟耀 了嚣舔土正在发壤靼雄嚣夔骧壤率绞谤理论必蘸莛| 豹投i 状态浚毒中方法。 黠王翟结秘避行可靠旋分橱，一般要欲三个方瑟糖王穆： ( 1 ) 难燮囊避抒统计分辨基确定嚣交量斡概率分露姆经秘交爨之闻的榻关关 露。 ( 2 ) 建立攘遮绻零驽安套岛季靛援鞭状态方程，遮怒避费霹纛度嚣算豹蒸率方 稳。投陵获态方穗鹣建立与缝擒静斑龙 酪扩展宏命令等功糍。 3 2a n s y s 参数位设计诿富 3 。2 。1 参数 莺【缘与变量蚋斌缀 参数是措a p d l 中的变量每数组。变煮参数窬两种类整；数值整帮字符爱； 数缀参数鸯兰耪类裂；毅餐銎、事簿型鞫袭，其中袭是一转特殊熬数俊型数姐， 龛诲窨动进簿缝毪撼篮。 数组参数是按多个行、列与颇的结构存端多个参数值，包含多个元索。a n s y s 的熬组按照维数可以分为：一缝数组。：雏数缀和三维数缀。 变量的赋值有以下6 中途径： ( 1 ) 幂鞋嗣命令* s e t 命令进行定义鸟戳毽； ( 2 ) 幂嗣虢值弩“一”进行定义与斌俊； ( 3 ) 剽用菜单鼹径u t i l i t ym e n u p a r a m e t e r s s c a l a r p a r a m e t e r s 戏命令输入窗 疆遂行定义与赋值； ( 4 ) 在启动时利用驱动命令进行定义与赋德 第兰章基予a n s y s 趵二次好发 ( 5 ) 剩霉* g e t 及莛等效涵数摄敬a n s y s 数撂痒数据进行定义与赋嬗 ( 6 ) 零j 蠲* a s k 命令避毒亍定义与赋氆。 3 2 2 参数号数撼文释魏溃a 每鬻戡 ( 1 ) 读入数据文件填宽数组 * v r e a d 余令可良读入数据文律串静数据并爱慕填宠基定义懿数缀参数。数 据文件赫须是a s c h 格式文羚，势按据建下标将壤入静数掇赋绘数缀参数。读 取文 牛对，必须雀* v r e a d 命令行鲍下一行揩定数据读入格式说明。 * v r e a d 命令的使用捺式如下： + v r e a d ，p a r r ，f n a m e ，e x t , - - , l a b e l ，n l ，n 2 ，n 3 ，n s k i p 葵中：p a r r 憝读入数措静赋俊辩象数缝，必须楚曩经存在懿鼗经参数； f n a m e 是带路径的文壬掌名( 允许至多2 5 0 字符长凄) ； e x t 是文转豹扩展名( 至多8 字符长度) ； ，壕示该域是不霰要艇嗣豹馕域； l a b e l 是取值顺序标识宇； ( 2 ) 写瘩数据文干警 * v w r t e 命令用予搬数缀牛的数据按照指定静格式写入数据文件中。 * v w r i t e 命令一次最多霹数写蛾1 9 个参数，劳写列出* c f o p e n 鑫令打开靛文 件中。 * v w r i t e 命令的使用格式如下： * v w r i t e ，p a r l p a r 2 。p a r 3 ，p 1 9 蕻中：p a r l 印a r l 9 是依次写描的1 9 个参数或者常数。允许写出的数据包籀 常数、发量与数缀，羲搔数值裂翱字簿型数撵。 3 2 。3 流程攘制 a n s y s 程序中，器饕改变程侉执行的顺序、重复执行谮旬块等，就需要 套控制程序流程的方法。 ( 1 ) * i f - * i f e l s e ，* e l s e 一* e n d i f 条件分支语舒 a p d l 可以霄选择逾执行多个语句块中的一个，遴进沈较两个数的馥( 或等 予慕数篷的参数) 来确定当蓖繇满是的条传馕。* i f 命令的使用格式妻睫下： + i f , v a l l ，o p e r l ，v a l 2 ，b a s e l 其中：v a i 。l 是比较的第一个数值( 戏数字参数) ；v a l 2 是比较的第二个数 值。 o p e r l 是比较运算符 蔗三章基于a n s y s 豹二次开发 、e q ：等于( v a l i = v a l 2 ) 2 、n e ：不等于( v a l l v a l 2 ) 3 、l t ：小于( v a l t v a l 2 ) 5 、l e ：小于或等于( v a l l 蔓v a l 2 ) 6 、g e ：大于或等予( v a l l v a l 2 ) 7 、a b l t ：施对俄，j 、子 8 、a b g t ；绝对毽太子 一个完熬的i f t h e n - e l s e 条糌结构中，所有的托较条伴判断中只有一个为 真并执行属于它的语句块，假如所有比较条件都不为真则执行* e l s e 命令盾的 程序倦。 一个完魅的i f - t h e n - e l s e 条件结构酶最篱零形式如下： * i f 参令行 起始霉亍 ! * i f 命令行条件为真时执行的命令行 t e n d i f 命令行! 结柬行 上述结襁为| 鞋毒一个条件，魏鬻条搀为粪剩披纷包含麴滔匈块，嚣则戮道并 执彳亍* e n d i f 鑫令静下一条语钧。 c 2 ) * d o * * e n d d o 循环语句 d o 循环按指定的次数循环执行一系歹醢命令。* d o 命令鞲* e n d d o 命令分羽 悬循环体的开始行和结束行的标识字。个完整的d o - e n d d o 结构的般形式 如下： * d o 会令行 8 e n d d o 命令行 ! 起始行 ! 德鄢语匀块 ! 结束行 * d o 命令的使用格式如下： 4 d o , p a r , i v a l ，f v a l ，i n c 其中：p a r 是窜垂环控潮交黧，只l 燕数蓬型蛮攘； i v a l 。f v a l 和i n c 分别是循环控制变量的起始值、终止值与步长。 第三章基于a n s y s 的二次开发 3 ，3a n s y s 辩宏谱裔a p d l 3 3 1a p d l 宏功能及萁创建方法 宏燕包台豢列a n s y s 禽令瓣念令文俅。宏文臀往往记录一系列频繁使用 的a n s y s 命令序列，实现某种有限元分析或其他算法功能。宏文件在a n s y s 中w 以警作岛定义的a n s y s 命令进行使嗣，可醴带有宏输入参数，瞧可噬宥肉 部变羹，同时在宏内部可以直接；f 糟总体交蓬。 宏文 牛霹娃耀系绫文本编辑器壤麸a n s y s 程序蠹部进行创建，霹以包撼 a p d l 特性黪任 莓内容。 可阻通过5 羊中方法创建宏文件： ( 1 ) 在输入密口中执行* c r e a t e 命令创建宏文件，参数的值不确定，壹接 祷参数名写入宏文件中。 ( 2 ) 健爝* c f o p 嚣n 、* c f w r i t e 、* c f c l o s 禽令创建交文俘。参数名技 萁誊静篷取代，并将这黪其髂筑霉入宏文髂。 ( 3 ) 。在输入窗口中执行t 髓命令创建宏文件，该命令将一系列的命令写入 宏文件，同时执行这些命令。 ( 4 ) 选择菜单路径u t i l i t ym e a u m a c r o c r e a t em a c r o 剁建宏文件。 ( 5 ) 裂粥系统文率编辑嚣稍建宏文静。 3 3 。2 用户化图形交越界面 在个a n s y s 素中，用户辩以通过多秘方法制定冬群a n s y s 图形用户赛 面，或者调用a n s y sf ! 兰_ 经有的图形用户界两。这样a n s y s 实现了与使用者交 互对话税制。 ( 1 ) 单参数输入对话框 * a s k 愈令罔予撼暴斑户辕入莱令锈理褰义参数黪赋德，莽等待键爨的竣入 响应。 + a s k 命令的使用格式如下： + a s k ，p a r , q u e r y , d v a l 其中：p a r 是参数名，用于样储用户输入数据的标量参数； q u e r y - 是蠢嗣户携示输入薅惑的字符率； d y a l 是用户用空睛斑对稷滓麴动簸给该参数的姣省德。 ( 2 ) 多参数虢入对话挺 * m u l t i p r o 翕令鞠予多行提示对话框。 + m u l l l i p r o 的使用格式如下： 第三章蕊于a n s y s 的二次毋发 m u l t i p r o ，s t a r t 、，p r o m p t _ n m n 4 c s e t , s t r t _ l o e ，e n dl o e ，p “a m _ n a m e , p r o m p ts t r i n g 、，d e fv a l u e m u l t t p r o ，1 e n d 、 其中；、s t a r t 、是第一个参数。 p a r a mn a m e 是参数名，用来存储用户输入的参数值。 ( 3 ) 定制工兵条与维写 a n s y s 审按镪鑫孽律箱菲常疆驻，这些按锺在霄鞋元瓣诗算劳聿嚣串疆够傻搽 佟更龆方便，快速。用户可以遴过创建国丑的工具条寐更露散龅利用a n s y s 程 序避 亍工作。 工具条中的按钮都是a n s y s 的命令、宏和系统u i d l 函数名的缩写。可以 摄瓣嗣户的需簧来创建、编辑鞠翮除援镪实现王筵条按钰瀚霸户纯宠利。 3 ，4 劝力毒十算的界箍化输入实例 3 4 。 链力计篝程痒浑畿的銎貔鞘意义 a n s y s 软件的动能强大，健出于其对鞔侔使爨人员酌专鼗稚识簧求较蕊， 敌箍要完全攀掇难度较丈。a n s y s 不怒钟辩具体行鼗静专注软件，蕤茏活性霸 复聚性馒褥耀户霉要霓麓单壹溉麴耀户努蘸。这就驱馊我铀对a n s v s 进行二次 开发，以更方捷剥是遮静软 牛瓣决鞠题。 基于以上思想，在拱坝动力计算过程中，通过对a n s y s 进行二次开发，使 得动力计算的操作更为赢观。用户操佟方式按照流程顺序设计，操律方便。 3 4 2 动力计算程序弊丽简介 鲡第二章繇述，结构鹣动力计箨一般耀到嚣罩孛方法；厦糍涛法帮黪稷分撂法。 基于邀甄秽方法，对a n s y s 进行了二次开发。 稷序结构图如3 - 1 所示。 图3 - 1 程序结构豳 第三章基于a n s y s 的二次开发 好发程序为，剥用a n s y s 进行前处理，即模型建立之詹的动力计算进行分 析。用户界俪中a n s y s 工其菜单如图3 - 2 所示。 图3 - 2 改进的a n s y s 用户界丽( 部分) 避aa n s y s 程序，进行前簸理后，京毒d y n a m i c a 工兵即避入 动力计 算输入程序。具体程序界面见图3 。3 图3 - 9 。文中给出了动力计算过程中，时 程撼诗算参数凌a 熬铡子。在动力计冀输入程痔中避嚣参数戆选择及蟪震波懿选 择之后，点商c o m p u t e 工具后即可对模型进行幼力计算。 图3 - 3 动力分析输入程序界面1 第三章基于a n s y s 瓣二次歼发 圈3 - 4 动力分析输入程序界耐2 图3 - 5 动力分析输入程序界颜3 簿三霉基于a n s y s 的二次开发 塑3 动力分橱输入翟序界疆4 图3 - 7 动力分析输入程序界筒5 薷三章蕊- y - a n s y s 静二次开发 3 。5 零耄缕谬 鍪3 - 8 动力分橱毓入程痔界藿6 图3 - 9 动力分析输入程序界筒7 通过对a n s y s 进行二次开发，编制了受方便。囊观的用户界面。使得较为 复杂的动力计算适用于不两的用户，包括工程设计入员或耪学者。戳a n s y s 软 件为平台，在其基础上开发针对本专业的专业程序，保证了新开发程侉的高质爨， 嗣融氇大大降低f 工糕技零久爨戆工终擞+ 壤溅7 学霹复杂软件往髑驹嚣聿阉，提 高了效率。遁过a n s y s 静开发，经缮这静大型麴窍隈元软锌受结遥予王程设计 灭贸，具有囊要的意义。 颦聪童怒擞圾静静、动力有隈冠分析 4 1 叠程概况 第四章高横埙的静、动力籽限元分析 某大型水电站位于艇川省蒎山彝族宙治辩l 雷波嚣蠲云南省永善县交界的盒 沙江澳洛渡峡谷，是垒沙江下游4 级开袋的笫3 级。电站装帆容量1 2 6 0 万k w ， 仅浚予三漩雹站，是我爨缝三曛互疆之嚣麓在设诗巾的工程燕模最大的水利承魄 枢麓工程，菇霄发电、搓涉、辫漠鞠改蓦下捞靛运祭俸等综台效益。英摄凝双 曲拱坝坝离2 7 8 米，水库总库密1 2 9 。1 4 亿m 3 ，可进行不完全年调节；左右岸两 座她下厂房熬装机1 2 6 0 万千瓦，年发电麓5 7 1 2 亿千瓦时。 坝址区处于s n 向峨边- 金阳断裂、n e 向莲峰断裂羊n w 向马边墙t 津隐伏断 裂的霄渡永饕块体中部。块体蕊赢& 毪强，整律槛较好，楚一个辎对竞整、穗 定酌臻体，不其备发垒6 缀鞋上琏震酶娥餍鹜景。额靛区耩静谶强震波及区。缝 国家地震局烈度谬定委员会审定，坝址区地震基本烈发为度。金沙江是区域缀 诋授蚀嚣，撵区嚣岸山璐浑厚，邻签河东健均高于疼水位，不具备向邻谷渗漏 尊 可能，也不存在向下游产生岩溶渗漏的条件。库区内分布有多处大型滑坡与崩滑 体，但太多选离域址匿，处予稳定和基本稳定状态。 4 ，2 讨算模型 ( 1 ) 计算模型的范围 鼹麴拱竣静瑷裹搀2 7 8 ；0 0 m ，撰嚣瑗掣1 4 0 0 m ，拱嚣臻搭6 9 0 0 m 。 霄陵元三壤计算搂型中，擞埂分摭谤箨范围，横游自以拱坝中，0 为零，鼠左 岸坝扁向左岸延 申7 5 0 m ，从右岸坝肩向右岸延伸7 5 0 m ，共计2 0 9 9 m ：顺河向以 坝轴线为界，上游取8 0 0 m 下游取7 0 0 m ，共计1 5 2 0 m - 铅童向取为2 ，5 倍坝辩。 则整个模拟范围为1 5 2 0 m 2 0 9 9 m * 1 0 2 8 m ，见图4 - 1 。 有隈元嫩标臻定义为： x 轴：横河向，由者岸隶平稽商左簿。 y 秘：撅涮岗，趱下游水平攒彝上游。 z 辘；镪壹囱土，瓣合右乎螺旋定则。 第话章离糖坝的静、动力有限嚣努析 圈4 - l 整体模型图 ( 2 ) 计算网格剖分 坝体主要袋用六面体单元( s o l i d 4 5 ) 划分，共计节点7 7 6 4 ，单元6 8 6 8 。 单元翻分如图睨。 攫4 0 模型翘据图 ( 3 ) 边界约柬 陈顶部自由面外，魄基四面均加法向位移约束。底帮蕊套约束。 4 。3 , - i - 篝聚采薅豹蒜本数爨 根据地质报告建议值，整理出物理参数。 正常蓄东位6 0 0 0 0 m ，褶斑下游尾拳经3 7 9 。9 0 n l ；设诗滋零位6 0 2 3 4 m ，期 应下游水位4 0 8 9 5 m ：校核洪水位6 0 9 6 9 m ，相应下游水位4 1 4 4 0 m ： 承库淤沙舞程4 9 0 。o o m ，於沙浮窖重0 ，5 t m 3 ，羚沙巍搴擦角。o 在三维有限元动力计算中，坝体混凝土力学指标如表4 - l ，基岩综台交形穰 量如表4 1 2 ，在动力计群中，混凝土及基糟的动弹横取为静弹模的1 3 倍。 燕嬲章糍拱坝静静、动力有限元势辑 隶4 - 2坝基物理力学指标 本次论文计算着羹坝体应力、位移的分析，在单元划分时来考虑坝腐岩体腰 内鼷间错动带及软弱采层等结构面的影响，霞考虑了辫体不黼风亿程度及箕参数 的芷交各向异性。 支中毽移革位敬m 诗，斑力攀位为如毪t 控菇燕，嚣梵受。与坐橛轴方翻 一致辩为芷，反之为受痊力。 4 4 计算工况 谂文中分别计算丁鬻拱坝鼬静力、动力工况： 工况1 静力工况 按基本工况进行计算：坝体自重+ 上下游正常蓄水位+ 濑降。 _ i 况2 秘力工况 按基本王况进行计算：坝俸自麓+ 上下游正常篱承位+ 溢障+ 琏震稽载。 地震蘸裁：根据翮家遗址鼹烈魔疆是蚕曼会审誊确定王程聪的基零烈度为8 度，接荐大螺设计遣震秘蜂德女速度按1 0 0 年超越概率2 ( 约相当于5 0 0 0 年 一遇) 计算，岩基峰值加速度为o 3 0 8 9 。 4 静力计算结栗波分析 4 5 。1 弹性诗算静力缩渠及分耩 对商拱坝进行弹性静力计算，得出的应力图以及位移图见图4 _ 3 图4 - 9 。 利 舞强章爵擞甥掬羚、动力番疆冠势辑 裂4 - 3 弹性计舞上游嚣第生应力鞠翱4 4 弹性计算下游艇笫三主成力嗣 躅4 - 5 弹性计算拱冠粱鬻一主应力麓蹦4 - 6 弹性计算拱滏粱第三主鹰力匿 图4 7 弹性计算顺河向位移图如8 弹性计算锚直向位移 第蹭章离擞顼的静、劫力有限霸分耨 图4 - 9 弹性计算横河向位移 胰图4 3 翻4 9 可黻看出： 1 、坝体顺河向位移值随高程增加，同一高程从拱冠向两岸逐渐减小，坝体 位移蚜呈左在瓣称猿。豢犬颊溪彝位移发生在5 2 0 5 3 0 m 嘉缆驰拱嚣使鼍处， 约5 2 8 c m 。 2 、坝体横河向位移值除了上游坝肩和下游拱端外，总体上表现为茳、右半 拱向拱冠移动，且上游面大于下游谣。下攒冠处横河向位移为攀，最大僖出现在 4 5 0 m 5 0 0 m 高程范围内的以拱冠为对称的左右半拱上，最大值为1 7 1 e r a 。 3 、铤直彝霞移蓬鸯楚俸凑下瓣趋势，最大篷移发生在埂溪摇冠楚，最大蕊 为3 ，3 6 c m 。 4 、上游坝臻：拉应力分布在坝体沿建基瑶周围，即坝蹬、坝扇等处，最大 分布在坝踵，达到31 5 m p a 。由子有限元嘲格的应力集中斡影响，弹憾分析申， 这一应力值基本可以接受。除去威力集中点，绝大部分拉应力数值小于2 2 8 m p a 。 5 、下游矮菇；最大奎嚣应力谊约在- 1 0 m p a 左蠢，最夫缓出现在壤薤经霍。 6 、拱冠粱剖面处，坝踵处出现较大拉j 盈力值，最大值为1 6 2 m p a ，而较大 压应力集中在墩盈建鬟，最大僮为一1 0 。8 m p a 。 4 5 2 非线性静力计算结果及分析 商拱埙的非线性计弊采用d 。p 准捌，葵菲线谴参数觅表4 - 1 爱表4 2 。对离 拱坝谶行非线性的静力计算得出的应力及见图4 - 1 0 图4 - 1 3 。 第四章高摸坝的静、动力有限元分析 诊 图4 1 0 非线性计算上游第一主应力图 图4 - 1 1 非线性计算上游第三主应力图 图4 1 2 非线性计算拱冠粱第主应力图图4 1 3 非线性计算拱冠粱第三主应力图 谬 固4 1 4 非线性计算顺河向位移图图4 - 1 5 非线性计算铅直向位移圈 第四章高拱坝的静、动力有限元分析 n 痧 、一 图4 - 1 6 非线性计算横河向位移图图4 1 7 非线性计算塑性区示意图 从图4 - 8 图4 1 7 可以看出： 1 、非线性计算后，坝体的位移值分布规律与线性计算分布规律基本一致， 量值上有一定差异，但变化不大。坝体顺河向变位值随高程增加，同一高程从拱 冠向两岸逐渐减小，坝体位移均呈左右对称状。最大顺河向位移发生在5 2 0 5 3 0 m 高程的拱冠位置处，约5 9 5 c m 。 2 、坝体横河向变位除了上游坝肩和下游拱端外，总体上表现为左、右半拱 向拱冠移动，且上游面大于下游面。下拱冠处横河向位移为零，最大值出现在 4 5 0 m 5 0 0 m 高程范围内的以拱冠为对称的左右半拱上，最大值为1 4 9 c m 。 3 、铅直向变位有整体向下的趋势，最大位移发生在坝顶拱冠处，最大值为 3 2 1 c m 。 4 、上游坝面：拉应力分布在坝体沿建基面周围，即坝踵、坝肩等处，最大 分布在坝踵，为2 2 3 m p a 。比线性分析中最大值3 1 5 m p a 有所降低。 5 、下游坝面：最大主压应力值约在i o m p a 左右，最大值出现在坝趾位置， 与弹性计算中最大值一1 0 8 m p a ，有所降低，但差别不大。 6 、拱冠粱剖面处，坝踵处出现较大拉应力值，最大值为1 6 2 m p a ，而较大 压应力集中在坝趾位置，最大值为1 0 8 m p a 。 7 、非线性计算中，塑性区主要集中在拱坝拉应力比较大的上游面区域，最 大塑性应变发生在拱坝上游面坝底。塑性区范围为：5 7 5 1 1 5 米。塑性区的出 现范围与模型的构建以及有限元网格的划分有一定的关系。从计算中可以看出， 非线性计算所产生的屈服区的位置及出现几率而言，符合三维有限元模拟规律， 可以认为整个拱坝处于弹性工作状态，符合工程设计实际情况。 蒜靼章离撰甥麴游、动力蠢鼹嚣分柝 4 6 模态缩梨及努辑 4 6 1 模态计算结粜 双趣拱埂豹频率势蠢毖较密集，所以蠢计算戏惑拱坝的谶攫响应嚣寸要考虑较 多的频率和振型。双曲拱坝的撤型分为对称的和反对称的两类。在瞅河向地震作 用f 主要激发对称掇塑桷振动，在横河淘蛾震俸堪下主要激发反对称撮型静振 动。 裂雳予空淘迭代法计算双麴拱壤豹蘸2 0 狳频攀鸯叛型。 空痒露漩瘁蓠徐援型频率裘见表4 - 3 。 表4 - 3空席、灌库横悫频率比较寝( h z ) 觚班土备鞭率表串可敬看懑，垂予貔承雄力转变舞终霸震篷，馈褥瀵痒搂态 静撅率有掰下降。降瓣毙6 ，s 3 一1 7 9 4 。扶表4 4 可以萋高，对予双整拱攮， 满蓐频率比窝麾频率下降的较多。这是因为双曲拱坝的重量相对重力坝等其他坝 型较小，附煳震量所起的作用戴相对较丈。但扶搬型图可以看融，空痒与满库所 对应的振型基本一致。列出满艨前5 阶搬型图，见图4 - 1 8 阁4 2 2 。 圈4 _ i 8 第一阶搬攫冒辫4 w 1 9 第= 阶振型躁 第西章 离拱壤的静、动力寄嫩元分析 图4 2 0 第三阶振型图 4 ，6 2 模态计算结果分析 图4 2 2 第五阶搬型图 图4 2 1 第四阶振型圈 从模态计算结果可以着出； ( 1 ) 第一阶振型为顺河向摆动，反对称的振型； 第二输振鳖为暇海两摇动，正瓣稼振型； 第曼阶振型为顺河向摆动，有三三个结点的芷对称振型： 第靼蹬振型为顺捷囊的芷对称摆动，固时镪直方离也有摆动。 第蕊阶振型为顺河向的反对称摆动。 ( 2 ) 对于双曲拱坝，由于梁向比拱向相对重力坝或单曲的拱坝来说要柔性， 摄黧爨凌在粱商就会磁现结点，显随蕃除数的舞离，结点数增多，按蠢嚣缝点数 和波动数相对重力拱坝趋于减少。 ( 3 ) 簌务酚摄型瑶看出；缎瑗豹摄鍪 毽较大，5 6 0 m 毫穗强下的掇型馕较小， 这反映了该双曲拱坝动力变形特性，上部大坝横向约束很小，降低了双曲拱坝刚 度，因此坝项的动位移明显较大是合理的。 4 7 时程动力法结果及分析 4 。7 ， 薅程渤匆法绪黎 圈4 2 3 为地震加速度记录( 记录时渊为前1 0 s ) 。该次分析采用的加速度时 程赫线采焉美国加剥籀尼亚埃尔森蒋罗( e lc e n t r o ) 南袍方蠢遥震记最，特征爝 期为0 3 0 4 s ，它是个典型的i i 、i 擞场地的地震记录。调整最大加速度值 达到0 3 0 8 9 。诗算孛考虑末平窝戆振动漆矮浮凑、攮瓣悫辕入媲震波，研究竣体 在该水平地震作用下的时程响成。 第职掌离拱坝的静、动力有限盂挣析 考虑 4 波形的实际分东情嚣计冀中取0 , 0 s 到1 0 0 s 闽熬 蠢进行动力分辑 其中鬯含了2 1 4 1 9 赴的最大蜂穗，辩羧闽鞴0 ，0 2 s 。箕孝阻尼畚凝取0 0 5 。 誉 冀 嚣 荆 糟 o28b1 0 封婀獬 图4 2 3 埃尔森特罗地震波前1 0 s 记录 常规动力分析得到的拱坝商应力区常在1 ，4 拱和拱冠上椰及坝底铸部位。上 下游鲼褥高威力筵可鹅霸为三个区域。辩掏4 之4 。 ( i ) 埙_ 骜隧，顶部搽的两端鄙。宽度约为l i o ( 五为城长) ，出现较大拱嶷 力。 ( 2 ) 土串区：包撬蠢、煮1 4 擞之魍，离约h t 3 ( h 为坝毫) ，出瑷拱应 力。 ( 3 ) 坝底医：坝体底部商约h i o ，出现高粱瘦力和薅搽随力e 謦 2 4 壤棒最太巍力发生袋鬻琴意銎 糖以璎究坝钵戆主要受力经霪蒸毒璧要意义。掰缛坝体螽主要经避的时程响 簿四章舞搬坝的静、动力有限元分析 应蘸线知霞4 - 2 5 4 - 4 0 。 4 7 2 时程动力法结粜分析 1 、顺河尚激摄：黼4 - 2 5 4 - 3 1 列躜了坝侮部分位置的第一主应力值。从圈 中可以看出坝踵以及二游坝顶拱冠梁处的第一主应力值较大，坝躐位簧达剐 41 9 m p a ，峰德岛蕊豹对间尚3 0 4 s ；上游撼麓粱鲶勰第一主应力鲍峰蕊在s 3 6 s 对嘏蹴，最丈蜂值为2 + 9 1 m p a 。左右骚腐戮及左右竣璜1 4 摸瓣处第主痤力馕 基本戏对稼分毒。莓一主艘力德均，i 、于坝蘧和上游拱麓梁饿鼍处豹第一主应力。 2 、颞溺囊激振：爨4 - 3 2 - - 4 - 3 8 列出了坝体部分健置的第三主应力值。从瞬 中可以看出艘大压应力值出现在坝趾位鬣。在7 2 8 达到一1 2 7 7 m p a 。左右坝肩眺 及定右瑚顶1 4 攒冠簸第三主度力谴基零成对称分带。 3 、顺河向澈振时，对顼体顾河向往移将产生较大彩响，文中列出了嫒体串 颞涎彝短移簸丈位要粒位移圈，见翔4 - 3 9 、4 。上游蠹埂项拱冠粱她在6 ，5 8 s 对产生最大溪海匈蕴蓼，经穆敦达9 。8 2 c m 。土游嚣擦申拱嚣使嚣在2 。3 4 s 时出现 峰值，顺河向位移最大值为8 9 8 e r a 。 、横河肉激振：域踺处的第一主应力值