混凝土拱坝应力分析的有限元方法探讨.pdf
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1、西 北水 电 2 0 1 2年 第 3期 6 7 文章编号 : 1 0 0 6 - 2 6 1 0 ( 2 0 1 2 ) 0 3 0 0 6 7 0 4 混凝土拱坝应 力分析 的有限元方法探 讨 甄 燕 , 马 琳 2 , 张 博 ( 1 中国水 电顾 问集团西北勘测设计研 究院, 西安7 1 0 0 6 5 ; 2 西安经发城建开发有限责任公 司, 西安7 1 0 0 1 6 ) 摘要: 混凝土材料的力学性质非常复杂, 目前还难以用精确的本构关系来描述。近年来常用线弹性及弹塑性理论 分析混凝土拱坝的应力。由于在拱坝近基础部位存在明显的应力集 中, 这对有限元法计算结果的评价带来了困难, 成
2、为有限元法应用于拱坝应力计算的“ 瓶颈” 。为了明确应力集中部位的真实应力水平, 文章另辟蹊径, 以大型分析 软件 A N S Y S为平台, 针对同一个模型, 在相同的荷载作用下, 分别采用混凝土单轴强度准则( 线性有限元法) 和混凝 土多参数强度准则( 非线性有限元法) 进行计算。主要研究 2种方法应力计算结果的差异, 在此基础上, 以坝体开裂 现象为手段研究拱坝近基础部位的应力集中现象。期望将 2 种计算方法结合起来, 从不同角度研究坝体的应力分布 和裂缝开展 。 关键词: 混凝土拱坝; 应力分析; A N S Y S ; 等效应力 ; 开裂 中图分 类号 : T V 2 2 2 2 文
3、献标识码 : A Di s c u s s i o n a bo u t Fi n i t e El e m e nt M e t ho d f o r Ana l y s i s o n S t r e s s o f Co nc r e t e Ar c h Da m ZHEN Ya h ,MA Li n ,ZHANG Bo ( 1 d m O, i na E r 1 e e r i n g C o r p o r a t i o n , ,舳 7 1 0 T A B , C m2) ( i 钿 J i n g f a U r b a n Con s t r u c ti o n D e
4、v e l c p m e n t Co , L t d , 7 1 1 6 , C h i n a ) Ab s t r a c t : Me c h a n i c s p r o p e y o f c o n c r e t e i s v e r y c o mp l i c a t e d I t c a n n o t b e d e s c r i b e d b y p r e c i s e c o n s t i t u t i v e r e l a t i o n c u r r e n t l y I n r e c e n t y e a r s,s t r e
5、s s o f c o nc r e t e a r c h d a m i s o he n a n a l y z e d b y a p p l i c a t i o n o f t h e o r i e s o f l i n e a r e l a s t i c i t y a n d e l a s t i c p l a s t i c i t y As o bv i o u s s t r e s s c o n c e n t r a t i o n o c c u r s n e a r f o u n d a t i o n o f a r c h d a m, t
6、 h i s c a u s e s d i ffic u l t y i n e v a l u a t i o n o f c a l c u l a t i n g r e s u l t s b y fi n i t e e l e me n t me t h o d a n d b e c o me s a B o t t l e n e c k f o r s t r e s s c a l c u l a t i o n o f a r c h d a m b y a p p l i c a t i o n o f f i n i t e e l e me n t me t h
7、o d T o s p e c i f y t r u e s t r e s s a t s t r e s s e o n c e n t r a t i o n p o s i t i o n ,a n e w w a y i s a p p l i e d i n t h i s p a p e r B a s e d O U t h e ANS YS p l a t f o r m a n d a i me d a t o n e mo d e l ,c a l c u l a t i o n s a r e c a r r i e d o u t r e s p e e t i v
8、 e l y b y a p p l i c a t i o n o f l i n e ar f i n i t e e l e me n t me t h o d an d n o n l i n e ar f i n i t e e l e me n t me t h o d i n c o n d i t i o n o f a c t i o n b y s a me l o a d Di ff e r e n c e o f s t r e s s c a l c u l a t i n g r e s u l t s b y t wo me t h o d s i s s t u
9、 d i e d p r i n c i p all y B a s e d o n t h i s , t h e s t r e s s c o n c e n t r a t i o n a t n e a r f o u n d a t i o n o f a r c h d am i s s t u d i e d wi t h d am b o d y c r a c k a s me a n s I t e x p e c t s t h a t t h e s e t w o me t h o d s c o u l d b e c o mb i n e d t o s t u
10、 d y s t r e s s d i s t r i b u t i o n a n d c r a c k d e v e l o p me n t o f d a m b o d y f r o m d i f f e r e n t p o i n t s o f v i e w Ke y wo r d s : C o n c r e t e a r c h d am ;s t r e s s an a l y s i s ; AN S Y S;e q u i v ale n t s t r e s s ;c r a c k 0 引 言 就水 工结构工程 而言, 其 主要 的研究对象
11、是种 类繁多的岩石 、 土体和混凝土 , 它们的材料力学性质 非常复杂 、 千差万别。 目前 , 对上述材料力学性质的 认识 已有较大提高。各种线弹性、 塑性 、 黏性 、 弹塑 性 、 流变性本构关系以及断裂力学 、 损伤力学等本构 收稿 日期 : 2 0 1 2 - 0 2 - 2 8 作 者简 介 : 甄燕 ( 1 9 8 5 一) , 女 , 内蒙 古宁城县人 , 助理工 程师 , 主 要从 事水利水电工程设计 工作 关系理论在研究水工结构混凝土材料特性 中均有所 应用 。近年来 , 有限元 法逐渐用于混凝土拱 坝的 线弹性分析及弹塑性分析 , 它能够 弥补拱梁分载法 的缺点 , 可考
12、虑地基变形 和坝体开孔等各种影响因 素 , 更加符合拱 坝受力特点。在应用有 限元法计算 拱坝应力同时, 还可 以研究拱坝受 力开裂情况。一 些学者提出了用坝体( 坝基面) 开裂程度和范围, 来 对拱坝安全度进行评价 。同时采用超载法对拱坝失 稳破坏进行研究。虽然用坝体开裂的思想判断拱坝 是否安全是符合工程实际的, 但是 , 考虑到 目前利用 有限元法计算坝体应力分布时存在近基础部位出现 6 8 甄燕 , 马琳 , 张博 混凝土拱坝应力分析的有限元方法探讨 明显的应力集中的缺陷, 加之对裂缝发展规模缺乏 统一的认识 , 该法 的应用也受到限制 _ 2 j 。 基于这种认识 , 本文在拱坝应力分
13、析方法研究 基础上, 以大型分析软件 A N S Y S为平 台, 建立拱坝 三维模型。针对 同一 个模型及相 同的单 元划分方 式 , 分别采用混凝土单轴强度准则( 线性有限元法) 和混凝土多参数强度 准则 ( 非线 性有 限元法 ) 进行 计算 , 同时应用 A P D L语言和多种 A N S Y S内部函数 真实地反映混凝土拱坝的力学性态 , 合理地对各种 载荷工况进行模拟 , 采用这 2种不 同的方法 , 获取拱 坝应力计算结果 , 进行对 比分析 , 研究这 2种计算方 法的合理性和统一性 。同时对非线性有限元法计算 中参数 值 的敏感性进行分析。期望将这 2种计算 方法结合起来
14、, 从不同角度研究坝体 的应力分布和 裂缝 开展 。 1 计算模型 1 1 基 本 资料 某工程为 等中型工程 , 拦河坝为混凝土抛物 线双曲拱坝 , 是 3级建筑物。最大坝高 9 8 5 m, 坝 顶高程 8 8 4 0 0 m, 坝顶宽 8 13 1 , 坝底宽 3 1 0 1T I ; 坝身 为表孔泄洪 , 表孑 L 布置在坝顶中部 , 孔宽度 1 2 m, 高 度 1 2 m, 堰顶高程 8 7 2 0 0 m。 1 2 计算模型 有限元计算 整体模型包括坝体和地基 。基础 范围向上游取 1 0 0 m、 下游和底部均取 2 0 0 m。网格 划分采用八节点六 面体实体单元 , 整体模
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