下载文档原格式
基于状态空间理论的砼重力坝振动响应分析摘要：介绍了一种基于状态空间理论的多自由度结构系统动力响应分析算法，将结构动力学的平衡方程经过一定的变换得到状态空间方程，再将该方程嵌入卡尔曼滤波算法，最终得到多自由度系统的状态随着系统输入的实时更新。
将该算法运用于混凝土重力坝算例，分别进行不同观测噪声水平的动力响应计算，并且将得到的动力响应信息与有限元软件数值模拟的结果进行比较，均具有较高的相似度，说明该算法的有效性，并且抗噪能力强，具有一定的工程应用价值。
关键词：状态空间理论；重力坝；动力响应；振动一、引言结构的动力响应分析和求解方法主要有振型分解反应谱法[1-2]、底部剪力法[3-4]和时程分析法[5-6]。
振型分解反应谱法计算精度较高，但是其需要用到结构的前大多数阶振型，而实际结构的自由度相当大甚至无穷大，这必然导致计算量的剧增，实际应用时具有一定的不可操作性；而底部剪力法仅适用于以剪切变形为主的重量和刚度沿高程分布均比较均匀的结构（否者会出现鞭梢效应[7]），当建筑结构的高度在40m以上或者结构的基频较小时，地震作用下将不能忽略结构的高阶振型影响，这必然导致其计算精度的降低；理论上，时程分析法是最准确的结构动力响应分析算法，可以在全时域内对结构进行实时分析[8-9]，但是由于其求解的复杂性以及外界激励的随机性，在实际工程运用时具有一定的困难，但随着计算机技术的发展和控制论中状态空间理论的发展，为这一精确方法的实际运用提供了捷径。
二、结构动力学的状态空间方程由结构动力学的基本知识[18]写出N个自由度结构系统的平衡方程：d（1）式中：M，L和K分别为多自由度结构的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；g(t)为N维激励。
g定义状态矢量y，其包含有位移矢量和速度矢量：（2）故方程（1）可以转换成状态空间形式：（3）式中：系统矩阵和控制矩阵如下：（4）（5）式中：表示a×b的零矩阵，表示a×b的单位矩阵。
重力坝分析的改进有限元等效应力法杨会臣;贾金生;郑璀莹【摘要】本文提出了重力坝分析的改进有限元等效应力法,分析了改进前后应力计算结果的变化,研究表明,当网格尺寸较大时,改进的等效应力方法具有更高的精度.对比研究了采用有限元等效应力方法、材料力学方法计算应力在结果上的相同点和不同点.分析表明,有限元等效应力法在解决应力集中的同时,还能反映地基刚度对建基面竖向正应力分布的影响,从而解决了材料力学的一些限制.结合我国第一座胶结颗粒料永久工程—守口堡工程的设计,详细分析了地基刚度对坝基面应力分布的影响,取得了很好效果.【期刊名称】《中国水利水电科学研究院学报》【年(卷),期】2013(011)002【总页数】5页(P112-116)【关键词】重力坝;有限元等效应力方法;材料力学方法;守口堡工程【作者】杨会臣;贾金生;郑璀莹【作者单位】中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室,北京100038;中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室,北京100038;中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室,北京100038【正文语种】中文【中图分类】TV641.31 改进的有限元等效应力法有限元等效应力法由我国学者首先提出[1-4]，其基本思想是将某一截面上有限元计算的应力结果等效为作用在该截面上的一组内力，然后利用材料力学的方法计算截面上的应力分布，以避免角缘处有限元计算结果的应力集中。
有限元等效应力法分析拱坝的文献[5-7]很多，但用于研究重力坝应力分布的文章还比较少[8-9]。
图1 有限元应力计算网格对于图1所示的有限元计算网格，xi处的竖向正应力为，xi+1处的竖向正应力为，则该截面上的等效内力为[8]：式中：N为截面轴力；M为截面弯矩；x0为截面转动中心；li=xi+1-xi；B为截面宽度，取1。
根据材料力学偏心受压构件正应力计算公式，结点i处的有限元等效应力即为：其中：L为截面长度；I为截面绕x0的转动惯量。
有限元等效应力法在重力坝强度分析中的应用范书立;陈健云;郭建业【期刊名称】《水利学报》【年(卷),期】2007(038)006【摘要】采用有限元法进行重力坝坝体应力分析时,坝踵、坝址的应力计算结果一直无法作为设计坝体断面的依据.本文将有限单元法所求得的应力合成截面内力,用材料力学公式求出重力坝建基面上任意点对应的线性化等效应力,并分析了影响有限元等效应力的各种因素.研究结果表明,有限元等效应力法有效地避免了坝踵、坝址的应力集中现象,解决了坝踵应力随网格的变化而变化的问题,计算出的建基面应力具有数值稳定性,得出的应力结果可以按现行的重力坝设计规范规定的应力标准评价重力坝坝体安全度.因此,结合有限元结果和等效应力法计算的坝踵、坝址应力结果,可为重力坝坝体强度的综合评定提供相应的依据.【总页数】7页(P754-759,766)【作者】范书立;陈健云;郭建业【作者单位】大连理工大学,海岸与近海工程国家重点实验室,辽宁,大连,116023;大连理工大学,海岸与近海工程国家重点实验室,辽宁,大连,116023;大连理工大学,海岸与近海工程国家重点实验室,辽宁,大连,116023【正文语种】中文【中图分类】TV64.3【相关文献】1.有限元等效应力法在拱坝设计中的应用 [J], 肖伟荣;苏志敏;唐涛2.重力坝分析的改进有限元等效应力法 [J], 杨会臣;贾金生;郑璀莹3.等效结构应力法在高强钢疲劳寿命预测中的应用 [J], 邹艳妮;李耀;罗东4.等效结构应力法在塔机关键焊缝疲劳强度研究中的应用 [J], 付玲;李耀;罗东;吴达鑫;佘玲娟5.等效结构应力法原理及其在转向架焊接构架疲劳寿命分析中的应用 [J], 薛俊谦;李向伟因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于重力坝应力计算及稳定分析的优化设计重力坝是一种常见的水利工程结构，其稳定性是设计中需要考虑的重要问题。
在设计重力坝时，需要对其应力进行计算和稳定性进行分析，并进行优化设计。
首先，重力坝的应力计算需要考虑以下几个方面。
首先是坝体自重的计算，包括坝体上升水压力和上升地下水压力。
其次是坝顶压力的计算，包括抗倾覆稳定和抗滑移稳定的力学分析。
还需要考虑水侧坝体的压力计算，包括水压头的作用和大坝的承压强度。
最后是岩质坝体的应力分析，考虑岩性、节理的影响及坝体的变形与稳定性。
为了保证重力坝的稳定性，需要进行稳定分析。
稳定分析主要包括抗倾覆稳定和抗滑移稳定两个方面。
抗倾覆稳定分析是为了防止重力坝在承受水压力的作用下发生倾覆。
抗滑移稳定分析是为了防止重力坝在地基土的滑移力的作用下发生移动。
通过合理选择坝体的高度、坝基的强度和选择合适的岩质材料，可以有效地提高重力坝的稳定性。
在重力坝的优化设计中，可以从以下几个方面进行考虑。
首先是合理选择重力坝的形式，可以是三角形、梯形或者圆弧形等不同形式，根据工程实际情况进行选择。
其次是选择合适的坝基处理措施，包括混凝土垫层、防渗墙等，可以提高坝体的稳定性。
另外，可以考虑采用辅助措施，如设置消能防冲设施、阻水排水系统等，提高重力坝的安全性。
最后，可以进行不同形式的优化设计，如遗传算法、模拟退火算法等，寻找最优设计方案，既能满足工程要求，又能提高工程的经济性和可行性。
综上所述，基于重力坝的应力计算及稳定分析的优化设计是一个综合性的工程问题。
通过合理的应力计算和稳定分析，可以提高重力坝的稳定性。
同时，通过优化设计，可以选择合适的形式和措施，提高工程的安全性和经济性。
因此，在重力坝的设计中，需要综合考虑各种因素，进行全面的分析和优化设计。
基于三维有限元的某重力坝应力变形特性分析乌日晗【摘要】重力坝作为主要坝型之一在人类筑坝治水历史长河中发挥着举足轻重的作用,特别是随着我国西部水电能源建设的飞速发展,将有一批高重力坝水电工程投入建设和运营,这些大坝均位于高山峡谷之中,工程规模大,地质环境复杂,其坝与地基稳定安全问题是须长期关注和解决的关键科学技术难题.本文采用三维有限元法分析了某重力坝正常工况下的应力变形特性,对其正常工作状态和应力变形规律进行了深入分析.【期刊名称】《吉林水利》【年(卷),期】2018(000)001【总页数】4页(P32-34,55)【关键词】重力坝;应力;位移;有限元【作者】乌日晗【作者单位】辽宁省蓡窝水库管理局,辽宁辽阳 111000【正文语种】中文【中图分类】TV642.31 引言重力坝的历史非常的悠久，大约在公元前两千九百年，人类就建造了第一座重力坝。
但由于重力坝结构简单，安全稳定，到现在还在被广泛采用[1]。
重力坝是在上游水压力、下游水压力及坝基扬压力等荷载的作用下，主要依靠坝体自身重量产生的抗滑力来维持坝体的稳定，尽管该类坝型体积足够大，本身具有很强的稳定能力[1]，但是由于各种原因，重力坝失事还时有发生。
大坝的失事往往会给国民经济和人民的生活水平造成比较大的影响，美国的圣弗朗西斯大坝，基础沉陷，坝体开裂严重，最终滑移崩溃，伤亡四百多人[2]。
美国奥斯汀大坝，坝基岩体中页岩泥化，坝体抗剪强度剧烈降低，引起坝基渗漏，导致坝体和坝基滑移，使整个坝体遭到毁灭性的破坏，给下游群众带来了灾难性的破坏[3]。
人类一直十分关注和重视重力坝的应力应变状态和坝体的抗滑稳定。
现今，人们对重力坝的抗滑稳定问题认识更深，提出了大量分析解决方法。
但是，由于很多因素都可以影响到大坝的抗滑稳定，而且这些因素中的有些因素还很难确定，到现在仍没有充分的理论依据，很大程度上还是依赖于工程师的工程经验。
因此，分析重力坝在正常运行过程中的应力变形特性、合理评价大坝工作性态对于长期安全运行是非常有必要的。
Project2 坝体的有限元建模与应力应变分析计算分析模型如图2-1 所示, 习题文件名: dam 。
图2－1 坝体的计算分析模型选择单元类型Solid Quad 4node 42 Options… →select K3: Plane Strain定义材料参数EX:2.1e11, PRXY:0.3模型施加约束✓ 分别给下底边和竖直的纵边施加x 和y 方向的约束✓ 给斜边施加x 方向的分布载荷：ANSYS 命令菜单栏: Parameters →Functions →Define/Edit →1) 在下方的下拉列表框内选择x ,作为设置的变量；2) 在Result 窗口中出现{X},写入所施加的载荷函数：1000*{X}；3) File>Save(文件扩展名：func) →返回：Parameters →Functions →Read from file ：将需要的.func 文件打开，任给一个参数名，它表示随之将施加的载荷→OK →ANSYS Main Menu: Solution →Define Loads →Apply →Structural →Pressure →On Lines →拾取斜边；OK →在下拉列表框中，选择：Existing table →OK →选择需要的载荷参数名→OK单元控制 纵边20等分；上下底边15等分结果显示ANSYS Main Menu: General Postproc →Plot Results →Deformed Shape… → select Def + Undeformed →OK (back to Plot Results window)→Contour Plot →Nodal Solu… →select: DOF solution, UX,UY, Def + Undeformed , Stress ,SX,SY,SZ, Def + Undeformed →OK。
