考虑堆石流变特性的面板坝三维有限元分析

论文摘要

碾压式混凝土面板堆石坝是20世纪60年代后期国际坝工界在扬弃传统的抛填式面板堆石坝优缺点的基础上逐步发展起来的一种新兴坝型。以其投资省、工期短、安全性好、就地取材、施工方便、导流简易、适应性广等优点，受到国内外坝工界的普遍重视。混凝土面板堆石坝的结构分析可采用线弹性有限元法、非线性有限元法和弹塑性有限元法等。非线性有限元法和弹塑性有限元法计算结果在一定程度上能反映面板堆石坝结构的工作性态，然而，堆石料既不是弹性体，也不是塑性体，是具有弹性、塑性和粘滞性的综合体。这类材料的变形除与应力有关外，还受时间因素的影响，通常把这种材料特性称为流变性。混凝土面板堆石坝的重要问题还是怎么解决好坝体的变形量，流变对坝体变形的影响主要体现在时间因素上，很多面板堆石坝在完建后几年甚至几十年后其沉降量仍然继续。因此在考虑流变影响的基础上解决面板堆石坝的变形问题，对面板堆石坝在我国的发展有重要意义。本文首先介绍了水工结构工程中的非线性有限元的弹塑性基本理论，明确了在弹塑性基本理论下材料的基本方程、本构关系和屈服准则。介绍了流变产生的机理以及目前存在的各种流变模型，本文采用了六参数流变模型。经过大量阅读已有的有关水利工程数值模拟方面的文章，了解数值模拟在水工结构工程中的常用方法。本文在有限元软件ANSYS的基础上对其进行了二次开发，利用APDL语言编写了适合堆石体的本构关系的数值模型，对于六参数流变模型，是通过对ANSYS软件内部关于材料特性的子程序进行了修改，将六参数流变模型做为子程序调入进行计算。接着紧密结合下六甲混凝土面板堆石坝工程，详细研究了在不同工况下堆石的沉降量和应力应变对面板的影响，计算了不同工况考虑流变的影响的堆石体沉降与应力应变，在此基础上研究了面板的应力变形。通过将不考虑流变和考虑流变的两种计算结果进行了对比分析得到，流变对坝体堆石以及面板的应力变形都有较大的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 本文所做的主要工作
• 1.3 本章小结
• 第二章 堆石料流变特性分析
• 2.1 流变理论的发展起源
• 2.2 堆石的流变性质
• 2.3 堆石体流变模型
• 2.4 本章小结
• 第三章 面板堆石坝的三维有限元分析
• 3.1 有限单元法的一般原理
• 3.2 六面体单元的刚度矩阵
• 3.3 材料的本构模型
• 3.4 非线性问题的探讨
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于 ANSYS的面板堆石坝三维有限元分析
• 4.1 ANSYS软件介绍
• 4.2 面板堆石坝在 ANSYS中的模拟
• 4.3 本章小结
• 第五章 下六甲面板堆石坝三维有限元分析
• 5.1 工程概况
• 5.2 下六甲面板堆石坝三维有限元分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 存在的问题及展望
• 参考文献
• 致谢