diana网络培训-08 -混凝土拱坝分析presentation dams

坝体结构基于DIANA的非线性有限元分析内容TNODIANABV介绍基于DIANA的坝体结构分析混凝土坝–热应力分析混凝土坝–混凝土硬化分析堆石坝–施工阶段分析土坝–交错流应力分析粘土心墙坝–全耦合流应力分析混凝土坝–混凝土膨胀分析混凝土拱坝的地震分析

TNO的计算力学部门

DIsplacementANAlyzer开始商业服务DIANA开始商业服务用户协会成立第一届国际DIANA会议FEMGV成为DIANA的前后处理器

成立子公司TNODIANABV2006 MidasFX+成为DIANA的前后处理器2010 启用位于荷兰Delft的独立办公大楼客户群:

-土木及岩土工程咨询公司 -油气开采生产公司 -高校及研究机构TNODIANA25位专家从事于DIANA的求解器研发，前后处理器研发，客户支持，市场及销售工作

TNODIANA5基于DIANA的坝体结构分析非线性材料土-结构耦合流体-结构耦合地下水流动应力热应力7混凝土坝热应力分析重力坝的弹性分析第九届坝体结构数值分析基准研讨会议(圣彼得堡)D1D2目标:找出监测到的大位移的产生原因混凝土坝-热应力分析混凝土坝-热应力分析水面T=5ºC外部温度简化方法:5种工况下的稳态热应力分析工况水面海拔(m)外部温度(ºC)06/10/1999128811.025/04/200013008.222/08/2000130416.106/02/200113163.714/08/2001131019.6混凝土坝-热应力分析能量平衡方程变量:T热分析结构平衡方程变量:F,u集成材料本构方程计算应力/应变变量:

,结构分析热膨胀计算变形混凝土坝-热应力分析5种工况下的温度剖面图5种工况下的位移云图（变形后）混凝土坝-热应力分析StorfinnforsenhydropowerplantintheFaxälvenRiver.PhotofromP.Stenström,WSP.本分析仅考虑一节坝段混凝土坝-热应力分析Units:m823440ZX1.522101.52.50.52199201.512.5支墩坝的开裂分析混凝土坝-热应力分析15ReinforcementsExponentialtensionThorenfeldt

compression

素混凝土的单轴应力应变曲线混凝土坝-热应力分析夏季冬季混凝土坝-热应力分析

季节温度变换对坝体变形的影响17混凝土坝体-热应力分析安装保温层之前(5年后) 分析结束(20年后)18混凝土坝混凝土硬化分析混凝土坝-混凝土硬化分析考虑实际施工顺序的薄拱坝初始应力应变发展过程第十届坝体结构数值分析基准研讨会议(巴黎)目标:预测施工结束后发生的裂缝155施工阶段,3月23日-10月23日忽略连接非连续性考虑线弹性材料模型考虑随时间变化的弹性参数

(刚度和抗拉强度作为材料成熟度的函数)

(随时间变化的热效应)每块预制块都用一层单元模拟混凝土坝-混凝土硬化分析技术考虑:*蠕变和收缩依赖于材料成熟度，比如混凝土龄期（由水化热过程的T得到）能量平衡方程变量:T热分析结构平衡方程变量:F,u集成材料本构方程计算应力/应变变量:

,结构分析热膨胀,蠕变,收缩计算变形混凝土坝-混凝土硬化分析22热传导分析温度反应进度等效龄期结构分析输入结果(随时间变化)混凝土坝-混凝土硬化分析23Arrhenius方程反应进度等效龄期Saul的定义到t时刻产生的热量除以混凝土水化过程中产生的总热量混凝土坝-混凝土硬化分析24粘弹性裂缝指示参数裂缝指标抗拉强度利用率混凝土坝-混凝土硬化分析25收缩热收缩自收缩当混合施工时现浇混凝土浇筑在原有混凝土上，自收缩可能会需要考虑混凝土坝-混凝土硬化分析26热量材料参数随时间的变化混凝土坝-混凝土硬化分析27施工过程中不同时刻的温度分布14May4July11July3August13August2December混凝土坝-混凝土硬化分析施工过程中不同时刻的应力分布(第一主应力)1September1October1November1December1January1February混凝土坝-混凝土硬化分析施工过程中不同时刻的抗拉强度利用率19July8August1September22September4October2December混凝土坝-混凝土硬化分析30堆石坝(CFRD)施工阶段分析堆石坝基于DIANA的堆石坝分析第十届坝体结构数值分析基准研讨会议(巴黎)目标:混凝土板面的开裂原因

堆石坝abcdefgh坝体不同的施工阶段堆石坝混凝土面板：用面单元模拟面板间的连接：用面界面单元模拟面板与坝体之间：设置摩擦界面单元堆石坝非线性施工阶段:地基自重As1+phase1(a)As2+phase2(b)As3+phase3(c)As4+phase4(d)As5+phase5(e)As6+beam+2040米高混凝土面板As7+phase6(f)As8+phase7(g)As9+phase8(h)As10+2040-2085米混凝土面板(施工结束)As11+2025米高水梯度力As11+2045米高水梯度力As11+2060米高水梯度力As11+2065米高水梯度力As11+2078米高水梯度力(完全蓄水)35堆石坝混凝土面板开裂预测36堆石坝混凝土面板开裂预测37结果：裂纹38土坝交错流应力分析土坝–交错流应力分析

固体力学应力应变关系位移流体流动水力扩散孔隙压力孔隙率变化超孔隙水压力体积变形有效应力变化非线性分析稳态结果压头总水头流量浸润线压头非线性分析稳态结果非线性分析稳态结果浸润线非线性分析瞬态结果竖向有效应力44粘土心墙坝全耦合流应力分析粘土心墙坝–全耦合流应力分析

固体力学应力应变关系位移流体流动水力扩散孔隙压力孔隙率变化超孔隙水压力体积变形有效应力变化粘土心墙坝–全耦合流应力分析47混凝土坝混凝土膨胀分析膨胀预测48Kariba坝因AAR导致的膨胀预测ICOLD混凝土膨胀基准测试(Valencia,2011)目标:预测坝体的位移Alkali-AggregateReaction（碱-骨料反应）49施工结束时的界面应力施工结束时界面上的相对位移未膨胀结果膨胀预测50施工结束时下游面（上图）和上游面（下图）主应力变化图（蓝色为压，红色为拉）初期蓄水后下游面（上图）和上游面（下图）主应力变化图（蓝色为压，红色为拉）未膨胀结果膨胀预测51膨胀预测Larive模型和各项异性模型膨胀结果

ParameterValueε(inf)0.00035τc9yearsτL9yearsτ01965years膨胀预测Larive模型

和各项异性模型膨胀结果2010年下游面（上图）和上游面（下图）主应力变化图（蓝色为压，红色为拉）1995年下游面（上图）和上游面（下图）主应力变化图（蓝色为压，红色为拉）53混凝土拱坝地震分析

基于DIANA的地震分析线性动力分析时域频域直接频率响应模态频率响应反应谱响应非线性动力分析时域混合频时域分析混凝土拱坝的地震分析Luzzone坝,感谢模型由StuckyLtd（瑞士）提供坝高:225米,水面高度低于坝顶18米,坝宽大约400米6–6.5（里氏震级）地震激励瞬态时间步分析,包含流体-结构相互作用和混凝土裂缝模型输出坝体变形和动水压力混凝土拱坝的地震分析

模型网格：基础（黄色）拱坝（灰色）水（蓝色）混凝土拱坝的地震分析

不考虑基础自重不考虑流体效应90%的能量包含在1.8–6.5Hz频率段,假定最大5%阻尼比瑞利系数:α=0.8857,β=0.00192X:侧向Y:水流方向Z:重力方向

MODEFREQUENCYEFF.MASSTXPERCENTAGECUM.PERCENT.10.18091D+010.30702D+090.81736D+010.81736D+0120.18357D+010.16227D+090.43200D+010.12494D+0230.27781D+010.32643D+070.86902D-010.12580D+0240.32682D+010.23408D+080.62317D+000.13204D+0250.34433D+010.79149D+080.21071D+010.15311D+0260.35149D+010.25276D+100.67290D+020.82601D+0270.37151D+010.39853D+070.10610D+000.82707D+0280.43897D+010.14650D+080.39000D+000.83097D+0290.46908D+010.41767D+070.11119D+000.83208D+02100.48836D+010.17960D+090.47812D+010.87989D+02110.52214D+010.11888D+070.31648D-010.88021D+02120.54629D+010.72208D+080.19223D+010.89943D+02130.57853D+010.17734D+080.47211D+000.90415D+02140.62101D+010.25568D+080.68067D+000.91096D+02150.65176D+010.45961D+080.12236D+010.92320D+02MODEFREQUENCYEFF.MASSTYPERCENTAGECUM.PERCENT.10.18091D+010.37964D+090.10107D+020.10107D+0220.18357D+010.10145D+100.27007D+020.37114D+0230.27781D+010.33311D+090.88681D+010.45982D+0240.32682D+010.12966D+080.34519D+000.46327D+0250.34433D+010.84978D+090.22623D+020.68950D+0260.35149D+010.10815D+090.28793D+010.71829D+0270.37151D+010.48658D+060.12954D-010.71842D+0280.43897D+010.51021D+080.13583D+010.73201D+0290.46908D+010.72131D+080.19203D+010.75121D+02100.48836D+010.39921D+060.10628D-010.75132D+02110.52214D+010.49046D+080.13057D+010.76437D+02120.54629D+010.39679D+090.10563D+020.87001D+02130.57853D+010.42954D+070.11435D+000.87115D+02140.62101D+010.20169D+080.53694D+000.87652D+02150.65176D+010.81427D+080.21677D+010.89820D+02MODEFREQUENCYEFF.MASSTZPERCENTAGECUM.PERCENT.10.18091D+010.12340D+080.32851D+000.32851D+0020.18357D+010.91337D+080.24316D+010.27601D+0130.27781D+010.17057D+090.45409D+010.73010D+0140.32682D+010.21495D+100.57223D+020.64524D+0250.34433D+010.75005D+090.19968D+020.84492D+0260.35149D+010.71949D+080.19154D+010.86408D+0270.37151D+010.10534D+080.28043D+000.86688D+0280.43897D+010.31438D+070.83695D-010.86772D+0290.46908D+010.42050D+080.11194D+010.87891D+02100.48836D+010.43544D+080.11592D+010.89051D+02110.52214D+010.22967D+080.61143D+000.896