模拟施工过程的拱坝结构应力分析

某拱坝基本荷载作用下应力应变仿真研究【摘要】为某拱坝设计提供设计依据，应用有限元分析软件对拱坝坝体进行某一工况基本组合下的动静力分析，对照仿真结果，得出红设计的合理性和安全性。

【关键词】拱坝；仿真；动静力可进行结构分析（包括线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力，其计算分析功能十分强大，同时具有较强的前、后处理功能，可节省用户大量时间。

ansys 软件是第一个通过iso9001质量认证的大型分析设计类软件，是美国机械工程师协会（asme）、美国核安全局（nqa）及近二十种专业技术协会认证的标准分析软件。

3 计算假定、计算模型3.1 计算假定(1)假定材料为均质弹性、各向同性的连续体，不考虑混凝土的应力重分布。

(2)坝基按照无质量地基考虑。

3.2 计算模型选取整个坝段进行计算，地基向上游延伸40.0m，向下游延伸80.0m，基础向下延伸100m，左右坝肩各延伸100m。

坝段基础面按设计开挖线考虑。

计算模型应用的坐标系为：水流方向为x轴方向，向下游为正；铅直方向为y轴方向，向上为正；坝轴线方向为z轴方向，向右岸为正。

整体坐标系原点取在坝顶水平拱圈圆心处。

计算单元划分基本采用八节点六面体实体单元，部分可通过四面体实体单元过渡。

节点和单元总数分别为133152个和121103个。

有限元计算模型见图1。

图1 大坝整体有限元模型单元剖分图3.3 边界条件为了既能确保计算结果的可靠性和计算精度，又能减少计算过程中的不必要的繁琐，对结构的边界条件做了一些适当的、符合实际情况的假定及简化。

地基底面固端约束处理，上游面和下游面为法向约束，左右面为法向约束。

3.4 荷载施加本次计算中荷载施加方式如下所述。

（1）自重根据混凝的重度，按惯性力9.8m/s2施加在计算模型上；地基自重不考虑。

（2）静水压力在坝体上游面，按上游水位施加静水压力；坝体下游面，按下游水位施加静水压力。

第四节拱坝的应力分析一、拱坝应力分析的常用方法拱坝是一个空间弹性壳体，其几何形状和边界条件都很复杂，难以用严格的理论计算求解拱坝坝体应力状态。

在工程设计中，常作一些必要的假定和简化，使计算成果能满足工程需要。

拱坝应力分析的常用方法有圆筒法、纯拱法、拱梁分载法、壳体理论计算方法、有限单元法和结构模型试验法等。

(1)纯拱法: 假定拱坝由许多互不影响的独立水平拱圈组成，不考虑梁的作用，荷载全部由拱圈承担。

计算简单，但结果偏大，尤其对厚拱坝。

对薄拱坝和小型工程较为适用。

(2) 拱梁分载法: 假定拱坝由许多层水平拱圈和铅直悬臂梁组成，荷载由拱梁共同承担，按拱、梁相交点变位一致的条件将荷载分配到拱、梁两个系统上。

梁是静定结构，其应力容易计算；拱的应力则按弹性固端拱进行，计算结果较为合理，但计算量大，需借助计算机，适于大、中型拱坝。

拱冠梁法: 最简单的拱梁分载法，可采用拱冠梁作为所有悬臂梁的代表与许多拱圈组成拱梁系统，按拱、梁交点径向线变位一致的条件来建立变形协调方程, 并进行荷载分配, 可大大减少工作量。

拱冠梁法的主要步骤是：①选定若干拱圈，分别计算各拱圈拱顶以及拱冠梁与各拱圈交点在单位径向荷载作用下的变位，这些变位称为―单位变位‖；②根据各共轭点拱、梁径向变位协调的关系以及各点荷载之和应等于总荷载强度的要求建立变位协调方程组；③将上述方程组联立求解，得出各点的荷载分配；④根据求届的荷载分配值，分别计算拱冠梁和各拱圈的内力和应力。

1、基本算式如图3.13所示，将拱坝从坝顶到坝底划分为5–7层水平拱圈，拱圈各高1m，令各划分点的序号为自坝顶至坝底，各层拱圈之间取相等距离。

由拱冠梁和各层拱圈交点处径向变位一致的条件，可以列出方程组为式中，2，3…，，拱冠梁与水平拱交点的序号，即拱的层数；——单位荷载作用点的序号——作用在第层拱圈中面高程上总的水平径向荷载强度，包括水压力，泥沙压力等；——拱冠梁在第层拱高程上所分配到的水平径向荷载，为未知数；（）——第层拱圈所分配的水平径向均布荷载强度；——梁在点所分配到的荷载强度；——梁上点的单位荷载所引起点的径向变位，称为梁的―单位变位‖。

模拟施工过程的拱坝结构应力分析蒋婉莹【摘要】针对某高拱坝利用有限单元法计算了自重整体施加、按梁施加、逐层施加三种情况,以及水压力和温度荷载作用下坝体的线弹性和非线性应力和变形,以等效应力及塑性应变来分析自重施加方式对坝体应力的影响。

线弹性有限元计算结果表明,对于高拱坝自重不同的施加方式对坝底和坝肩的应力影响很大;非线性有限元分析也表明,自重不同的施加过程对坝体的塑性应变及塑性应变能也有很大的影响。

所以,高拱坝实际的受力必须考虑坝体混凝土的浇筑过程,其计算结果才能客观地评价坝体的安全性,从而提高设计的可靠性。

【期刊名称】《土木工程》【年(卷),期】2018(007)001【总页数】11页(P37-47)【关键词】拱坝;有限元分析;施工加载模拟【作者】蒋婉莹【作者单位】[1]南京水利科学研究院,南京瑞迪建设科技有限公司,江苏南京;【正文语种】中文【中图分类】U441. 引言拱坝是水工建筑物中一种重要的挡水坝，它以结构合理、体型优美、安全性高、经济性优越而被广泛采用。

但随着坝体高度的增加，河谷地形、地质的复杂化及施工难度的提高，坝体的受力和工作状态越来越复杂，拱坝的安全性，尤其是高拱坝的安全性也越来越引起人们的关注。

坝体的应力水平是评价坝体结构安全性的一个重要指标[1]。

拱坝结构的应力分析方法主要有拱梁法和有限单元法[2]。

拱梁法属结构力学的方法，其力学模型有一定的简化，在坝体选型时常使用，但它无法分析坝体局部结构引起的应力变化，更难仿真坝体动态的施工力学过程。

有限单元法属现代计算力学方法[3]。

它适用于任意形状的拱坝，可以考虑复杂的地形、地质条件，可以考虑材料的塑性、开裂、流变等非线性行为，也可以很方便地模拟坝体的局部结构、混凝土浇筑顺序、横缝灌浆、温度控制、坝体蓄水等因素。

所以有限单元法在拱坝的设计中得到了广泛地应用，对应有限元计算应力–等效应力的控制标准也已写入规范[1]。

早期，用有限单元法来计算坝体应力时，自重、水压力、温度等荷载常在坝体上一次施加，并不考虑实际的受载历程。

大型坝体结构的应力分析与设计引言：大型坝体结构是水利工程中的重要组成部分，也是保障人们生产生活用水的重要策略。

在坝体结构设计中，应力分析是至关重要的环节。

本文将探讨大型坝体结构的应力分析与设计。

一、坝体结构的分类根据坝体材料和结构形式的不同，坝体结构可分为重力坝、拱坝、引力坝和填土坝等几种类型。

不同类型的坝体结构在力学特性及受力条件上存在差异，因此应力分析与设计也有所不同。

二、应力分析的基本原理坝体结构受到各种内外力的作用，主要包括水压力、浸渍力、温差应力、地震力以及重力等。

在应力分析中，需要考虑这些力的大小和方向，并计算出坝体结构的应力分布情况，以确保其稳定性和安全性。

三、材料力学参数的确定在应力分析与设计中，材料力学参数的确定是非常重要的。

常用的参数包括杨氏模量、泊松比、拉伸强度、抗压强度等。

这些参数需要通过试验或经验来确定，以保证所选取的材料能够满足工程要求。

四、应力分析的方法常用的应力分析方法包括解析方法和数值方法。

解析方法是基于数学模型和方程组的推导和求解，具有精确性和可靠性；而数值方法则是通过将坝体结构离散化为小单元，并应用数学模型和计算程序进行求解，具有较高的计算效率。

五、应力分布的计算和分析在应力分析中，需要计算和分析坝体结构的应力分布情况。

通常可以采用有限元分析等数值方法来求解复杂坝体结构的应力分布。

通过分析应力分布情况，可以评估结构的稳定性，并作出合理的修正和优化设计。

六、应力分析的结果与设计优化应力分析的结果对于坝体结构的设计优化非常重要。

通过分析结果，可以判断结构的强度和稳定性是否满足要求，并作出合理的调整和改进。

在设计优化中，需要综合考虑结构的安全性、经济性和实用性等因素。

七、结构施工与监测应力分析与设计只是坝体结构的一部分，施工与监测也同样重要。

在施工中，需要根据设计要求进行施工工艺选择，并对结构的质量进行严格控制。

同时，还需要设置合理的监测系统，及时获取结构的变形和应力信息，以便及时采取措施保障结构的安全。

拱坝应力分析CAD系统的研制与开发拱坝具有结构合理、用材最省、稳定性好、超载能力强等优点，但其类型较多，受力条件也较复杂，因而设计计算工作十分繁琐。

如何利用现代计算机技术，辅助进行拱坝设计，使原来复杂设计过程的每个环节变得清晰可见，使设计者从重复繁重的劳动中解放出来，并使设计工作效率和质量得到提高，是一项有实际意义的研究课题。

本文作者对拱坝的特点及拱坝应力分析CAD系统的研制与开发进行简要介绍。

标签：拱坝;CAD系统;应力分析拱壩是一种坝身及基础工作条件好、超载能力强的坝工结构。

有可靠的抵御意外洪水和涌浪翻坝的能力，抗震性能好，垮坝事故率低，耐久性好，安全性高，且经济合理。

由于拱坝设计计算和施工技术的复杂性，使得计算机技术在拱坝中的应用越来越迫切。

1.拱坝的结构特点拱坝是一种体形复杂、规模宏大的空间壳型结构，在立面上可以看作是由许多水平拱圈叠成，两端嵌入岩体内，在横断面上看，它是由许多弯曲或铅直的悬臂梁组成。

当承受水压力等外荷载时，借助拱的作用，拱坝把大部分的库水压力以水平推力方式传至坝端两岸岩体，少部分荷载靠悬臂梁作用传递给地基。

总的说来，拱坝主要具有以下特点：1.1受力条件好主要依靠坝体混凝土及坝基岩体的抗压强度而不是坝体的有效重量来保障大坝安全，充分利用了混凝土和岩石抗压强度高的特性。

1.2坝的体积小，造价便宜在坝址、坝高条件相同的情况下，拱坝所需的坝体混凝土为重力坝的13/-2/3。

1.3超载能力强，安全度高坝体是一种高次超静定的结构，具有相当强的承载能力，当外荷载增加或拱坝某局部开裂时，坝体应力可以自行调整，同时拱坝能将相当一部分荷载传递至基础岩体的较深部位，只要基础岩体本身或经处理后坚实完整、稳定可靠，坝体就不易发生整体破坏。

在两岸有坚固岩体支撑的条件下，坝的破坏主要取决于压应力是否超过筑坝材料的强度极限。

1.4抗震性能好拱坝是整体性的空间结构，坝体较轻韧，富有弹性，能自行调整其结构性能。

拱坝的应力分析方法
拱坝的应力分析方法可以采用静力计算和有限元分析两种方法。

1. 静力计算方法：该方法通过建立拱坝结构的静力平衡方程来计算拱坝内部的应力分布。

首先确定坝体的几何形状和材料性质，然后根据坝体的水力和动力荷载计算出坝体上各处的受力情况，最后通过静力平衡方程计算出拱坝各点的应力值。

2. 有限元分析方法：该方法利用有限元理论和计算机数值计算方法，将拱坝结构划分为有限个单元，然后通过求解这些单元的力学方程，得出拱坝结构的应力和变形情况。

该方法可以考虑边界约束、非线性材料特性以及水土耦合效应等因素，对于复杂的拱坝结构分析更加准确。

这些方法在拱坝设计和分析中广泛应用，可以帮助工程师评估拱坝的安全性和稳定性，优化设计方案，确保拱坝在使用过程中的正常工作。