薄高拱坝坝体屈曲稳定初探

论文摘要

高拱坝结构稳定是坝体结构与坝基及周边岩体之间的复杂耦合作用的结果,其当前主要研究内容包括坝肩稳定、坝体上滑稳定和坝体结构稳定等,高拱坝结构稳定是拱坝研究与设计的重要课题之一。由于我国西南和西北正在修建和即将修建的一些300m级的特高拱坝越来越多,且随着拱坝体形优化设计及高强度混凝土材料的应用使坝体的厚度越来越薄,拱坝部分区域已接近薄壳结构,可能导致坝体结构失稳的发生。以往坝工界对坝体应力、坝基坝肩稳定和坝体上滑失稳等问题研究较多,而对坝体结构稳定研究则较少,特别是对于坝高200m以上的高拱坝,无规范可依。目前高薄拱坝的坝体屈曲稳定影响研究的核心问题是:“高薄拱坝何时需考虑屈曲失稳影响?”、“在坝高一定下,‘临界柔度系数’是否存在?如果存在又是多少?”等。由于高薄拱坝的坝体屈曲稳定影响涉及因素较多,复杂性较大,当前国内外还未得出深刻的结论。因此,目前薄高拱坝实践设计中均逐一进行屈曲稳定校核,使得薄高拱坝的优化设计增加了相当大的计算量和不便。基于以上问题,本文将通过理论分析和数值模拟等方法,结合其他学者的研究成果,并通过对国内外实际已建拱坝工程的运行情况,综合分析研究了高薄拱坝坝体屈曲稳定的影响,为高薄拱坝的坝体屈曲稳定影响的深入研究提供基础。本文主要研究内容如下:(1)对拱坝的拱梁分载法理论进行归纳总结,对冯广宏(1980)提出的特殊拱梁分载法:“微分法(导数法)”进行分析,通过工程实例比较分析,认为微分法更简单实用。基于结构力学方法及数值分析原理,对拱梁分载法中梁的变位系数进行了深入研究,认为当前采用的变位系数误差在10%以内,基本满足工程计算要求,但部分变位系数误差相对较大,本文基于数值分析理论对其进行修正,修正后误差由原来最大8%降低到1%以内,并给出了张量表达式。(2)基于拱梁分载法理论,对圆弧型双曲高拱坝的水平拱圈的非线性屈曲进行了初步研究,认为经典屈曲理论高估了水平拱圈的抗屈曲性能,拱坝水平拱圈的屈曲临界荷载应采用非线性屈曲理论计算。基于Pi等人的研究成果,应用能量法、数值内插和拟合的思想,得出了高拱坝水平拱圈在弹性地基(转动弹性约束、径向、环向弹性约束)和等温变荷载影响下的临界屈曲荷载近似计算公式,为高薄拱坝水平拱圈的抗屈曲稳定研究奠定了基础。(3)基于拱梁分载法理论,对圆弧型双曲拱坝和抛物线型双曲拱坝的水平拱圈的力学特性进行比较研究,得出了不同矢跨比和厚跨比下两种拱圈的弯矩、轴力分布图,认为抛物拱拱端的弯矩比圆拱拱端的弯矩更集中,特别当水平拱圈的矢跨比较大时,抛物线型双曲拱坝水平拱圈的拱端上游易出现较大的拉应力,建议抛物线型双曲高拱坝水平拱圈拱端厚度大于拱冠厚度。对抛物线型双曲拱坝的水平拱圈的抗屈曲特性进行研究,并与圆弧拱进行比较分析,认为抛物拱的抗屈曲性能稍强于圆拱。基于结构扰动理论对两种拱结构进行了简单的敏感分析,认为当两种拱结构的厚跨比较小时(T/L<0.03),拱内应力随结构扰动较敏感;矢跨比对拱应力扰动影响不是很大,但矢跨比越小,其扰动敏感性增强。(4)对抛物线型双曲拱坝在多拱多梁理论下的抗屈曲理论进行了近似分析,假设水荷载方向近似为垂直于水平拱跨距方向,通过虚功原理对水平拱圈在受非均布荷载下的抗屈曲特性进行了近似研究,得到水平拱圈临界屈曲荷载分布系数的控制方程,并给出了近似屈曲安全系数的求解方程。(5)通过统计分析的方法得出了高拱坝的经验开裂界限柔度系数C与坝高H和坝顶河谷宽B之间的关系式;同时基于典型拱坝纵断面展开模型的几何计算,得出高拱坝的柔度系数C与厚高比之间T/H的关系式函数,该函数与坝高H无关,与拱坝纵断面展开图几何形状参数、拱冠梁厚度分布有关;结合以上两公式,通过参数代换得出典型高薄拱坝的厚高比T/H与坝高H和河谷宽B之间的关系式,从而得到拱坝底厚TB的建议公式。通过比较分析认为美国勘务局(1984)建议拱坝底厚公式对于坝高较高(300m)的拱坝计算的建议底厚太大,完全无参考价值;对于我国《水工设计手册》(1987)的建议底厚相对偏小,而本文建议公式更合理,更有设计参考价值。(6)基于拱冠梁法,对圆弧型双曲高薄拱坝水平拱圈的抗屈曲和强度安全之间的力学关系进行了研究,分析了混凝土等级、设计工况等因素的影响,认为混凝土材料等级提高到C45时,且坝顶厚径比(T/R)大于0.03时(厚跨比T/B>0.0173),高拱坝的水平拱圈(等厚)的强度破坏一般先于屈曲破坏发生,此时可忽略屈曲稳定对坝体稳定的影响。但由于拱冠梁法未能充分体现拱坝的空间效应,并且拱坝结构稳定是坝体、坝基和库水之间复杂耦合的结果,其影响因素较大,因此该结论有待于通过拱坝空间理论的进一步证实。最后通过工程实际大量计算及本文基于拱冠梁法的研究成果,偏保守地建议对于坝顶拱圈的厚跨比T/B<0.015的高薄拱坝(300m级别的)应该进行抗屈曲稳定分析,特别是在进行优化设计过程中,需进行抗屈曲约束控制,并给出了临界柔度系数计算公式。(7)通过对典型高拱坝模型数值模拟成果的分析,分别得出典型单曲、双曲高拱坝的整体稳定超载安全系数与坝高及柔度系数之间的拟合关系式;同时得出坝高、坝体厚度、周边约束条件、坝址地质状况及河谷对称性等主要因素对坝体整体稳定的影响关系。并对锦屏一级拱坝和小湾拱坝的整体稳定性分别进行了深入研究,认为拱坝(锦屏拱坝)坝基的不对称性不仅影响把体内的应力分析不均,还降低了拱坝的结构稳定承载力;拱坝(小湾)设缝后拱坝拱的作用增强、梁的作用削弱,整体刚度略有降低,但对拱坝整体安全性影响很小,设缝位置处于拉应力区,可以起到释放拉应力的作用,对改善坝踵应力状态有利。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题的目的和意义
• 1.2 世界拱坝失事（失稳）实例
• 1.2.1 科尔布莱恩（Kolnbrein）拱坝
• 1.2.2 瓦依昂（Vajont）拱坝
• 1.2.3 马尔帕塞（Malpasset）拱坝
• 1.2.4 托拉（Tolla）拱坝
• 1.3 高拱坝研究现状及进展
• 1.3.1 高拱坝的破损机理与安全度分析
• 1.3.2 高拱坝的场仿真分析与应力控制标准
• 1.3.3 抗震分析与抗震工程措施
• 1.3.4 体形与优化设计
• 1.4 拱坝坝体结构失稳形式
• 1.5 本文主要研究成果及技术路线
• 第二章 拱坝应力分析的拱梁分载法
• 2.1 拱梁分载法的发展
• 2.2 拱梁分载法基本原理
• 2.2.1 拱冠梁法基本方程
• 2.2.2 弹性地基上水平拱圈的内力的解析求解法
• 2.3 拱梁分载法之一—微分法
• 2.3.1 微分法原理
• 2.3.2 算例分析
• 2.4 拱梁分载法——梁的变位系数的研究及其修正
• 2.4.1 变位系数计算的基本公式
• 2.4.2 典型变位系数的计算公式
• 2.4.3 Newton—Cotes 积分及其在拱冠梁变位系数计算中的应用
• 2.4.4 当前变位系数精确度的验证
• 2.4.5 典型的变位系数积分函数的性质研究
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于经典拱梁分载法及非线性屈曲理论的拱坝屈曲研究
• 3.1 圆弧型双曲高拱坝水平拱圈的经典屈曲与非线性屈曲的对比研究
• 3.1.1 圆拱面内屈曲的经典理论
• 3.1.2 浅拱面内屈曲的非线性理论
• 3.1.3 依据厚径比和半中心角对拱圈屈曲的分类研究
• 3.1.4 拱圈面内屈曲的尺寸效应
• 3.2 弹性地基及温变对圆弧型双曲高拱坝水平拱圈屈曲的非线性影响
• 3.2.1 受弹性转动约束下的圆弧浅拱非线性屈曲研究
• 3.2.2 受径向.切向弹性约束下的圆弧浅拱非线性屈曲研究
• 3.2.3 均匀温变对拱屈曲的影响研究
• 3.2.4 实例
• 3.3 高拱坝屈曲稳定的临界柔度系数初探
• 3.3.1 等截面圆弧型固端拱圈的强度
• 3.3.2 拱圈的强度安全、屈曲安全的控制标准
• 3.3.3.圆弧拱圈的强度破坏与屈曲失稳的先后关系分析
• 3.3.4 高拱坝考虑抗屈曲影响的临界条件——柔度系数、厚高比等
• 3.4 抛物型双曲高拱坝水平拱圈结构的强度与屈曲初探
• 3.4.1 一般拱结构的面内屈曲基本方程
• 3.4.2 抛物线型拱结构的抗屈曲特性
• 3.4.3 抛物线型拱结构的抛物线拱圈强度分析
• 3.4.4 抛物线型拱结构与圆弧型拱结构的比较
• 3.5 多拱多梁理论下抛物型双曲高拱坝水平拱圈屈曲理论的近似分析法
• 3.5.1 抛物线浅拱的基本理论
• 3.5.2 抛物拱的屈曲研究
• 3.5.3 抛物线型高拱坝在多拱多梁法下的屈曲安全系数的定义
• 3.5.4 算例与分析
• 3.6 基于拱冠梁法的高拱坝的屈曲与强度关系研究的算例
• 3.6.1 拱坝的柔度系数与厚高比
• 3.6.2 高拱坝强度安全
• 3.6.3 某高拱坝整体稳定性分析
• 3.7 本章小结
• 第四章 基于壳体稳定理论的拱坝屈曲稳定研究
• 4.1 壳体理论基本方程
• 4.1.1 应变协调方程
• 4.1.2 平衡微分方程
• 4.2 等厚壳体的屈曲理论
• 4.2.1 等厚壳体大挠度理论
• 4.2.2 等厚壳体小挠度理论
• 4.2.3 U 型拱坝模型屈曲的近似解析求解法
• 4.2.4 拱坝模型屈曲方程组的数值差分法求解原理
• 4.3 壳体理论在单曲拱坝屈曲中的应用
• 4.4 算例分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 基于有限元法的高拱坝屈曲稳定研究
• 5.1 有限元数值分析原理
• 5.1.1 典型高拱坝有限元模型
• 5.1.2 非线性屈曲有限元原理
• 5.1.3 线性屈曲有限元原理
• 5.2 影响拱坝坝体稳定的主要因素
• 5.2.1 坝高对稳定的影响
• 5.2.2 坝体厚度对稳定的影响
• 5.2.3 坝体周边约束对稳定的影响
• 5.2.4 坝体外形（单-双曲）对稳定的影响
• 5.2.5 坝基不称性对整体稳定的影响
• 5.3 高薄拱坝屈曲稳定初探
• 5.3.1 复杂地基条件对高拱坝稳定影响—锦屏一级高拱坝
• 5.3.2 设缝（底缝、周边缝）对高拱坝稳定影响—小湾高拱坝
• 5.4 本章小结
• 第六章 基于系统论下的高拱坝屈曲稳定研究
• 6.1 泛函观点下的近代力学理论
• 6.2 结构稳定理论和工程力学中的几种泛函方法
• 6.3 高拱坝稳定安全性分析的数学表述
• 6.4 应用实例
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.1 展望
• 附录A：压杆的塑性屈曲分析
• 附录B：圆形浅拱的动力屈曲基本方程
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介