重力坝应力分析剖面设计与材料及构造课件

第一章重力坝 第一节概述 第二节重力坝的荷载及荷载组合 第四节重力坝的应力分析 第三节重力坝的稳定分析 第五节非溢流重力坝的剖面设计 第六节重力坝的结构可靠度设计 第七节重力坝的材料和构造 第四节重力坝的应力分析 一 应力分析的目的 确定应力及其分布 通过应力分析 求出坝内各处的应力及其分布 以保证坝内各点的应力值都不超过容许值 材料分区 根据坝内应力情况 确定坝体材料分区 大应力区采用高砼标号 小应力区采用低砼标号 以充分利用砼强度 确定局部应力并配筋 计算坝体局部结构物 闸墩 导墙等 处的应力 以校核局部强度 二 应力分析的方法 模型实验法 费钱费事 对中小型工程不适用 光测法 偏光弹试验和激光全信息试验 主要解决弹性应力问题 脆性材料电测法 破坏性试验 如地质模型试验 材料力学法 历史最久 应用最广 最简便 是重力坝规范规定采用的计算方法 弹性理论差分法 力学模型OK 数学解法采用近似的差分格式 弹性理论有限元法 其在力学模型上是近似的 数学解法上是严格的 它是一种综合能力很强的计算方法 大中型工程应用较多 三 应力分析的材料力学法 匀质弹性体假定 坝体材料为均质 连续 各向同性的弹性体 不考虑地基变形对坝体应力的影响 基本假定 悬臂梁假定 将计算坝段作为固接于地基上的悬臂梁计算 不考虑计算坝段两侧的影响 即横缝不传力 任意水平面上的正应力呈直线分布 计算的水平截面一般选在坝面转折点或厚度突变处 弹性理论分析 模型实验 实际观测的成果都说明 坝体最大和最小应力一般都出现在坝面 自然想到采用材料力学中的偏心受压公式这种简单方法来计算坝体应力 因此本章仅介绍坝面边缘应力的计算 对于一个矩形截面构件 如果已知作用在该截面上的轴力N和弯矩M 就可以利用偏心受压公式求出该截面边缘处的最大 最小应力 微分体取法 微分体的面应包括 已求 的作用面 水平面 欲求t的作用面 铅直面 建立静力平衡方程式 方程应仅包括欲求t和已求 即 剪应力互等定理 相互垂直的两个平面上 剪应力必然成对存在 且数值相等 两者都垂直于两个平面的交线 方向则共同指向或共同背离这一交线 图1 16 a 中剪应力成对出现 4 3上游边缘水平正应力 上游边缘 方程应仅包括欲求sxu 下游边缘 4 3下游边缘水平正应力 下游边缘 方程应仅包括欲求sxd 4 4主应力 基本概念 主平面 主应力 通过一点处的所有方向面中 一定存在三个互相垂直的主平面 即一定存在主单元体 因而每一点都对应着三个主应力 平面 二向 应力状态 一个主应力为零 一点处的三个主应力分别用 1 2 3来表示 并按应力代数值的大小顺序排列 即 1 2 3 例如某点处的三个主应力为50MPa 80MPa和0 则 1 50MPa 2 0 3 80MPa 主平面 单元体上没有切应力的面称为主平面主应力 主平面上的正应力称为主应力 4 4主应力 微分体取法 微分体的面应包括 已求 的作用面 水平面 欲求主应力的作用面 即上 下游坝面及与其正交的平面 建立静力平衡方程式 方程应仅包括欲求s1u和已求s 即 第二主应力 作用在坝面上的水压力强度 上游边缘 下游边缘 混凝土材料抗拉能力极低 一般不允许坝体出现拉应力由式 1 28 知 如果上游边缘铅直正应力syu0 如果 则s1u0 其次 m1不宜过大 即上游坡不宜太缓 4 5考虑扬压力时的边缘应力计算 前面公式均未考虑截面上扬压力的作用 相当于重力坝建成尚未蓄水时的应力计算 实际上当大坝长期蓄水时 坝体和坝基都会受到扬压力的作用 考虑扬压力时边缘应力 水平正应力计算简图 考虑扬压力时的主应力计算 当没有泥沙压力和地震动水压力时 puv pu pud pd 第二主应力为0 考虑扬压力时的主应力计算 方向向下为正 将所有力在Y方向进行分解可得 4 6重力坝的应力控制标准 由于扬压力是一种可能存在的荷载 规范要求对有扬压力和无扬压力两种情况都进行核算 坝基面坝踵 坝趾的垂直应力应满足以下要求运用期上游端 syu 0在各种荷载组合下 地震荷载除外 计入扬压力时的最小垂直正应力大于0 即水平面不出现拉应力 下游端 计入 不计入扬压力两种情况下 最大铅直正应力均不超过坝基容许压应力值 syd s 施工期下游坝趾垂直应力允许有小于0 1MPa的拉应力 地震荷载下 坝踵 坝趾的垂直应力应满足SL203 水工建筑物抗震设计规范 要求 重力坝坝体应力运用期当计入扬压力时 上游面的垂直应力不允许出现拉应力 坝体最大主压应力应不大于混凝土的允许压应力值 施工期 1 坝体任何截面上的主应力不大于砼的容许压应力 2 坝体的下游面允许有不超过0 2MPa的主拉应力 地震荷载下 坝踵的垂直应力应满足SL203 水工建筑物抗震设计规范 要求 本节小节 1 选取微分体应包括欲求的未知量和已知量 且计算简单 2 对微分体建立静力平衡方程式 3 上游坡角不易过大 防止出现拉应力 复习思考题 1 重力坝应力分析 材料力学法的基本原理 2 应力计算公式推导 如图1 17考虑扬压力时边缘剪应力和水平正应力公式 第一章重力坝 第一节概述 第二节重力坝的荷载及荷载组合 第四节重力坝的应力分析 第三节重力坝的稳定分析 第五节非溢流重力坝的剖面设计 第六节重力坝的结构可靠度设计 第七节重力坝的材料和构造 第五节非溢流重力坝的剖面设计 设计原则 满足稳定与强度要求安全可靠 工程量少 造价低经济合理 外形轮廓简单 便于施工技术可行 满足运行要求 设计步骤 根据简化条件拟定基本剖面 根据运用和其他条件修正剖面 进行稳定和强度分析 必要时再进一步修正剖面和进行稳定及强度分析 基本概念 非溢流重力坝是指坝顶不溢流的重力坝 一 基本剖面定义 基本剖面是指坝体在自重 上游水压力和扬压力三个主要荷载作用下 满足稳定和应力要求并使其剖面最小的三角形剖面特点是上游比较陡 下游比较缓的三角形 原因 作用于重力坝的水压力为 从满足强度要求看 对 的要求如下 1 当a 900时 即上游面为倒坡 在库空情况下 重心超出上游三分点时 下游端出现拉应力 不满足强度要求 倒坡对施工也很不方便 2 当a 900时 可利用上游面上的水重帮助稳定 如前面应力分析知 满库时上游面可能会出现拉应力 a不宜过小 3 一般情况 a 900时 对中等强度以下的岩基 坝底宽基本由稳定控制 故由抗滑稳定公式计算基本 剖面尺寸 对较好的岩基 断面尺寸可能由强度条件控制 强度验算 m1 0 0 2 m2 0 6 0 8 从理论上讲 基本剖面虽然经济的 但不实用 a 坝顶不能是个尖顶 不便于施工 运行管理和交通也不方便 b 坝高不能刚好与水位齐平 必须有一定的超高 c 厂房坝段需设闸门和拦污栅 希望上部做成垂直的 二 实用剖面 二 实用剖面 坝坡通常上游坝坡系数m1 0 0 2 下游坝坡系数m2 0 6 0 8坝底宽一般为坝高的0 7 0 9倍坝顶宽坝顶必须有一定宽度 以方便管理和交通 无特殊要求时 坝顶宽采用坝高的8 10 且不小于3m 当有交通要求时 坝顶宽按交通需要布置 上游面折坡理论分析和工程实践证明 混凝土重力坝上游面可做成折坡 上游折坡的起坡点位置一般在坝高的1 2 2 3的范围内 以便利用上游坝面水重增加坝体的稳定性 坝顶高程 h 防浪墙顶至正常蓄水位或校核洪水位的高差hz 波浪中心线至正常或校核洪水位的高差h1 累计频率为1 波高hc 安全超高 坝顶或防浪墙顶高程按下式确定 常用的剖面形状由基本剖面修改为实用剖面 有三种常用的形态 图 a 采用铅直的上游坝面 适用于坝基摩擦系数较大 由应力条件控制坝体剖面的情况优点 便于布置和操作坝身过水管道进口控制设备缺点 由于在上游面为铅直的基本 剖面上增加坝顶重量 空库时下游坝面可能产生拉应力 图 b 工程中经常采用上游坝面上部铅直而下部呈倾斜 既可利用部分水重来增加稳定性 又可保留铅直的上部便于管道进口布置设备和操作的优点上游折坡的起坡点位置一般在坝高的1 2 2 3的范围内 设计时要验算起坡点高程水平截面的强度和稳定条件 图 c 为上游面呈倾斜的基本三角形 坝顶而成 适用于坝基础摩擦系数较小的情况倾斜的上游坝面可以增加坝体自重和利用一部分水重 以满足抗滑稳定的要求 修建在地震区的重力坝 可采用此种剖面 三 实用剖面的优化设计优化设计方法 通过计算机寻求满足设计条件 现行规范 通用设计准则等 的最优设计方案 设计变量 目标函数 约束条件规范规定 安全度 应力通用规则 坝坡无倒坡 也不太缓 求解方法因目标函数和约束条件均为变量的非线性函数 故优化设计是一非线性规划问题 如遗传算法等 计算方法可参见有关专著 第七节重力坝的材料和构造 一 砼重力坝的材料 一 水工砼的特性指标1 强度2 抗渗性3 抗冻性4 抗磨性5 抗侵蚀性 二 坝体砼的分区坝体各部位的工作条件不同 对砼材料性能指标的要求不同 应注意 1 尽量减小整个枢纽中不同砼标号类别 便于施工 2 为避免产生应力集中或产生温度裂缝 相邻区的强度等级相差不宜超过两级 同一浇筑块中砼的标号也不得超过两种 分区厚度一般不小于2 3米 二 重力坝的的分缝与温度控制 坝体分缝目的 为适应施工期砼的浇筑能力和温度控制以及地基可能产生不均匀沉陷而引起裂缝类型 垂直于坝轴线的横缝 平行于坝轴线的纵缝 横缝是永久缝 纵缝则属于临时缝 有时砼分层浇筑的层面也是一种临时性水平施工缝 1 横缝及止水横缝将坝体沿坝轴线分成若干坝段 其缝面常为平面 横缝是永久缝 缝中应设止水设施 2 纵缝和水平