1、基于有限元动力法对拱坝应力控制指标的探讨,论文作者：常晓林 李梦 周伟,武汉大学 水利水电学院,实际背景与意义,我国的水能资源居世界之首，约80%分布在西部，主要是西南地区；但是高地震烈区也大多在此。 我国很多已建、在建或拟建的高拱坝都位于强震区。 分析以往一些拱坝失事的原因，绝大部分是由于工作岩体失稳或变形过大造成的。 尤其是一些拱坝遭受强震的事例表明，地震作用下，拱坝上部、特别是两岸坝肩易发生局部损坏。,选 题 背 景,研究现状一,应力分析方法： 拱梁分载法意义明确，规范化，但假定多，较粗略；控制标准：规范给出明确的容许拉压表达式 有限单元法计算理论严密，精确，但受单元划分影响较大，且难以
2、提出相应的应力控制标准。控制标准：、按等效应力进行控制；2、按拉应 力范围控制；3、按开裂范围控制。,研究现状二,有限元应力控制标准： 计算有限元等效应力可消除应力集中现象； 静力作用下计算有限元等效应力与拱梁分载法应力的关系，从而制定出有限元等效应力控制标准； 动力作用下的有限元等效应力控制标准尚不明确，有待研究。,对大丫口拱坝进行动力强度计算及评价,探讨静动作用下有限元等效应力的控制标准,本文主要研究内容,控制标准,动力分析,（一） 控 制 标 准,4.通过计算比值求得,3.利用DL/T5346-2006DL5073-2000,2.结合实例工程计算,1.参考SL282-2003,有限元动力
3、法等效应力控制标准制定思路,控 制 标 准,1.参考SL282-2003,有限元动力法等效应力控制标准制定,1、规范给出的 静力作用下有限元等效应力和拱梁分载法应力的比值,主压应力比值平均值为0.97，规范取为1.0；主拉应力比值平均值为1.32，规范取为1.3，约按此比例控制等效应力标准值。,控 制 标 准,2.结合实例工程计算,1.参考SL282-2003,有限元动力法等效应力控制标准制定,动力求解方法选择,用有限元法计算拱坝地震应力时，目前采用的求解方法是振型叠加反应谱法和逐步积分法（时程分析法） 本文对某水电站拱坝工程分别应用振型叠加反应谱法以及时程分析法进行计算及比较分析,动力求解方
4、法选择,等效拉、压应力最值分别为：3.02、7.03 MPa（振型叠加反应谱）；2.27，5.07 MPa（时程分析法），最值发生位置基本一致，可见由于设计反应谱具有一定的包络性，求解偏大 由于反应谱法简便易行，现行规范亦规定，拱坝地震作用效应的动力分析宜采用振型分解反应谱法，且本文将探讨拱坝动力强度控制标准问题，故采用反应谱法进行强度计算。,2、静动综合等效应力与拱梁分载法最值比,动力,模型,参数,比值,小湾 二滩 大岗山 溪洛渡 紧水滩,均采用径向九层单元 建基面布置薄层单元,两种方法拉压应力最值比及其平均值,动力作用下混凝土弹模及基岩变形模量取静态的1.3倍,2.1、小湾拱坝等效应力最值
5、计算,小湾拱坝坝高292m ， 模型的单元34428，节点39560。地震基本烈度8，峰值0.308g 有限元等效拉应力最值上游面5.13MPa，压应力最值下游面12.44 MPa。温降荷载组合为控制工况,2.2、二滩拱坝等效应力最值计算,二滩拱坝坝高240m ， 模型的单元28140，节点32450。地震设计烈度8，峰值0.20g 有限元等效拉应力最值上游面3.69 MPa，压应力最值下游面12.24 MPa。温升荷载组合为控制工况,2.3、大岗山拱坝等效应力最值计算,大岗拱坝坝高为210m，模型的单元32392，节点37240。地震基本烈度8，峰值0.557g 有限元等效拉应力最值上游面6
6、.88 MPa，压应力最值下游面13.76MPa。温降荷载组合为控制工况,2.4、溪洛渡拱坝等效应力最值计算,溪洛渡拱坝坝高为278m，模型的单元33410，节点38400。地震基本烈度8，峰值0.321g 有限元等效拉应力最值上游面4.94MPa，压应力下游面12.28MPa。温升荷载组合为控制工况,2.5、紧水滩拱坝等效应力最值计算,紧水滩拱坝坝高102m，模型单元30130，节点34484。地震设计烈度7，水平峰值加速度0.10 g 有限元等效拉应力最值上游面3.08MPa，压应力最值下游面9.43MPa。温升荷载组合为控制工况,2.6、各拱坝静动综合等效应力最大值,2.6、各拱坝静动综
7、合拱梁分载法应力最大值,2.6、静动综合等效应力与拱梁分载法最值比,主压应力比值平均值取为1.10；主拉应力比值平均值取为1.34，约按此比例控制等效应力标准值。,控 制 标 准,3.利用DL/T5346-2006DL5073-2000,2.结合实例工程计算,1.参考SL282-2003,有限元动力法等效应力控制标准制定,3、动力作用下分项系数,按现行抗震规范 DL5073-2000 及现行拱坝设计规范 DL/T5346-2006,控 制 标 准,4.通过计算比值求得,3.利用DL/T5346-2006DL5073-2000,2.结合实例工程计算,1.参考SL282-2003,有限元动力法等效
8、应力控制标准制定,4、静动综合作用下应力控制标准,有限元等效应力法与拱梁分载法主压应力比值为1.10 有限元等效应力法与拱梁分载法主拉应力比值为1.34,4、基于等效应力控制标准的校核,二滩拱坝 3.69、12.24 MPa C30混凝土 4.10、15.76 MPa,思路可行,紧水滩拱坝 3.08、9.43 MPa C25混凝土 3.41、13.13MPa,验证,（二）大丫口拱坝抗震强度计算分析,工程概况： 坝址位于军弄乡大丫口山与仙人山之间。正常蓄水位650m，死水位630m，坝顶高程为653.00m，最大坝高92m 本枢纽工程等级为级工程 地震动峰值加速度为0.29g，地震动反应谱特征周
9、期为0.25s，地震设计烈度为度,计算模型 、荷载组合,模型的单元总数17238，节点总数20120，其中坝体单元数9828，节点数11330； 基本荷载组合：上游正常蓄水位+下游相应尾水水压+坝体自重+上游淤砂压力温升荷载（温降荷载）； 特殊组合：基本组合+地震荷载,计算方法及特殊问题处理,坝体自振特性分析,静态与静动综合作用下坝体变位特征值比较,考虑地震荷载的影响，坝体的位移分布规律与其在静态基本荷载工况下位移分布规律一致，但位移量均有不同程度增加。 由于坝体动位移反应以顺河向为主，故顺河向位移增幅最大，铅直向位移增幅很小,拱坝有限元等效应力计算及分析,考虑地震荷载影响，起控制作用的拉应力
10、最大值发生位置与静态基本荷载工况下最大应力位置基本一致，大小有所增加； C20等级混凝土有限元等效应力的拉、压应力控制指标应分别为 3.00MPa、11.56 MPa ，略有超标； 适当提高混凝土标号至C25，相应地有限元等效应力的拉、压应力控制指标提高为3.75MPa、14.45MPa，符合强度要求 。,结 论,本研究基于静力作用下有限元等效应力控制标准提出动力作用下的有限元等效应力控制标准的一个制定思路； 提出了有限元等效应力法动力作用下的控制标准，认为等效应力及拱梁分载法拉压应力控制标准比值分别为1.34及1.10； 采用以上标准，分析校核大丫口拱坝坝体应力：得出拱坝建基面应力过大处，适
11、当提高混凝土标号至C25，则符合强度要求；通过大丫口拱坝等效应力的计算结果显示：提出的地震工况下有限元等效应力控制指标方法具有一定合理性及可行性，但仍需不断验证和完善。,展 望,在计算过程中对模型进行简化，忽略了动力作用下横缝的非线性地震响应，即横缝在地震作用下的开合问题； 库水与坝体的相互作用采用动水压力计算公式以附加质量近似考虑的，相对简单；坝体与坝基的作用方面，只计地基的弹性作用采用无质量地基进行处理，无法反应地震动的非均匀性与能量的辐射阻尼作用； 本研究通过有限元等效应力来提出拱坝强度控制标准；如利用拱坝开裂范围来进行强度评价，将更准确；,展 望,在动力作用下拱坝强度有限元法计算的控制标准问题上，由于实际工程资料有限且计算工作量大、时间有限，本研究只应用了5座拱坝进行初步的平均值计算；应进一步取较多相同类型工程，并且多种条件下综合分析，提出更为全面的结果。按高度或规模；以及按抗震烈度大小等划分,谢 谢！,汇报结束,武汉大学 水利水电学院,
