碾压混凝土重力拱坝非线性有限元分析

论文题目: 碾压混凝土重力拱坝非线性有限元分析

论文类型: 硕士论文

论文专业: 水利工程

作者: 张忠辉

导师: 张社荣,宋长申

关键词: 碾压混凝土重力拱坝,非线性有限元,温度应力,动力分析

文献来源: 天津大学

发表年度: 2005

论文摘要: 碾压混凝土重力拱坝是重力坝断面并存在拱效应的一种坝型,它既具有碾压混凝土的特点,又具有重力坝特点,还具有拱坝的受力特征,受力状态非常复杂。碾压混凝土具有施工速度快、水泥用量少、水化热温升低、施工工艺简单等优点。高重力拱坝结合了现场实际地形、地质情况,充分利用拱的作用将上游的水荷载传到两岸坝基,是一种高度超静定结构,同时,与坝体混凝土接触的岩体基础在应力较大情况下处于弹塑性状态,因此,需要对其进行三维有限元非线性分析。随着弹塑性理论的发展,非线性有限元的广泛应用,使得重力拱坝的非线性分析更加便捷。碾压混凝土技术研究的逐步深入,也为碾压混凝土坝的发展奠定了基础,我国把碾压混凝土高坝筑坝技术研究列为“八五”、“九五”国家重点科技攻关项目,目前在混凝土配合比、分层碾压、温度控制、封拱灌浆、坝体分缝等方面已处于世界领先水平。但作为碾压混凝土重力拱坝,还存在很多需要进一步研究的课题,如重力拱坝的分缝、封拱灌浆、体型设计、拱效应分析、坝体材料、坝体-坝基-库水的耦合等都还有一定的发展空间。本文结合巴基斯坦高摩赞碾压混凝土重力拱坝的工程实例,通过三维有限元非线性分析,对坝体应力、位移等进行分析,主要内容包括:(1)应用弹塑性理论,把坝体和坝基接触面作为接触单元进行非线性分析,扩展了非线性分析在工程领域的应用空间。(2)研究碾压混凝土重力拱坝在不同的荷载组合工况下的应力分布状态和分布特征以及最大应力出现的位置和应力控制的标准。(3)研究坝体变位大小和坝体变形的范围,比较其它工程及国际工程经验,探索碾压混凝土重力拱坝坝体变位控制范围。(4)研究温度荷载对坝体应力的影响,建议采取一定的温度控制措施,限制坝体温度应力。(5)探讨坝体应力对坝体混凝土材料和坝基岩体弹性模量的敏感性,寻找适合工程的筑坝材料,建议提高坝基弹性模量,以利于坝体在允许应力范围内工作运行。(6)应用时程法,对坝体进行动力分析,研究地震效应对坝体-坝基系统的应力影响和坝体-坝基-库水的耦合作用。(7)探索重力拱坝设计中拱效应的影响,对优化坝体体型,调整坝体应力分布有着重要意义。

论文目录:

中文摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 国内外碾压混凝土坝发展现状

1.2 碾压混凝土重力拱坝的应力分析方法

1.2.1 梁拱分载法

1.2.2 有限单元法

1.2.3 非线性有限元

1.3 非线性有限元的研究现状与发展方向

1.3.1 非线性有限元研究现状

1.3.2 非线性有限元在碾压混凝土重力拱坝设计中的应用

1.4 本文研究的内容

第二章 非线性有限元分析的基本理论

2.1 弹塑性力学中的非线性分析

2.1.1 非线性分析方法

2.1.2 塑性力学问题

2.2 非线性分析的理论基础

2.2.1 弹塑性理论

2.2.2 屈服准则

2.3 等参单元

2.3.1 位移、应力、应变

2.3.2 结点力、刚度矩阵

2.3.3 结点荷载

2.3.4 平衡方程

2.4 接触问题

2.5 稳定温度场及温度应力分析原理

2.5.1 坝体稳定温度场分析

2.5.2 温度应力有限元计算

第三章 巴基斯坦高摩赞大坝非线性有限元分析

3.1 工程概况

3.2 工程地质

3.3 工程区水文、气候条件

3.4 计算模型及材料屈服准则

3.4.1 计算模型

3.4.2 材料屈服准则

3.5 计算模型及单元剖分

3.6 混凝土材料

3.6.1 混凝土材料的弹性模量

3.6.2 混凝土的热性能指标

3.6.3 计算采用的混凝土力学指标

3.7 荷载及荷载组合

3.7.1 温度荷载

3.7.2 自重

3.7.3 水压力

3.7.4 浪压力

3.7.5 淤沙压力

3.7.6 扬压力

3.7.7 地震荷载

3.7.8 荷载组合

第四章 非线性有限元静力分析

4.1 静力分析应力计算结果分析

4.1.1 工况1 应力计算结果

4.1.2 工况2 应力计算结果

4.1.3 工况3 应力计算结果

4.1.4 静力计算结果汇总

4.2 应力控制标

4.3 坝体位移分析

4.3.1 工况1 位移计算结果

4.3.2 工况2 位移计算结果

4.3.3 工况3 位移计算结果

4.3.4 位移计算结果分析

4.4 拱效应分析

4.5 应力对材料弹性模量的敏感性分析

4.5.1 混凝土材料的弹性模量

4.5.2 坝基岩石弹性模量

4.5.3 材料分组

4.5.4 结果分析

第五章 非线性有限元地震分析

5.1 拟静力法

5.1.1 地震惯性力的计算

5.1.2 地震动水压力

5.2 时程分析法

5.2.1 非线性有限元动力分析的基本方程

5.2.2 库水与坝体的耦合

5.2.3 动沙压力

5.2.4 最大地震加速度及时程曲线

5.3 拟静力法应力计算结果

5.4 时程法动力分析结果

5.4.1 主应力时程曲线

5.4.2 时程法坝体应力计算结果

5.5 应力计算成果分析

5.6 位移计算成果及分析

5.6.1 位移计算成果

5.6.2 位移结果分析

第六章 结论

参考文献

发表论文和参加科研情况

1. 发表论文

2. 参加科研

致谢

发布时间: 2007-04-17

参考文献

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• [7].碾压混凝土溢流坝温度应力计算分析[D]. 齐新.西安理工大学2003
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• [10].碾压混凝土高拱坝的温控研究与分缝设计[D]. 李金凤.广西大学2004

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