基于等效应力法的混凝土拱坝有限元分析

2020-05-21赵佳楠

黑龙江水利科技 2020年3期

赵佳楠

(通河县水务技术服务中心,黑龙江通河 150900)

1 概述

在中国学术界分析拱坝应力基本采用有限单元法，采用该法分析拱坝应力的优势明显，但不足之处在于应力集中较大。采用等效应力法在很大程度上可以减少这种影响[1]。目前，有限元等效应力法的发展较缓慢，尤其在高拱坝的应用分析中还不够成熟，只是处于起步阶段。随着中国高拱坝等大型水利工程的不断建设，对有限元等效应力法的理论深度研究，在高拱坝分析的可行性和适用性上还需进一步的研究。

2 等效应力计算分析[2]

在拱坝的有限元法计算中，应力分量分别沿拱、梁断面积分，可得内力，局部和整体坐标系的关系表达如下：

式中li、mi、ni为坐标轴三向方向余弦。

l1=cosα,m1=sinα,n1=0;l2=-simα,m2=cosα,n2=0;l3=0,m3=0,n3=1.

坐标系转换示意图，见图1。

图1 坐标系转换示意图

坐标系表达式可转换为：

{σ}=[Tσ]{σ′}

沿梁的厚度方向对应力和力矩进行积分，可得梁截面上的内力表达式如下[3]：

式中y0为梁截面形心坐标。

单位高度拱圈的径向铅直截面，对拱应力和力矩进行积分，进而可得拱截面上的内力表达式如下：

3 工程实例

3.1 工程概况

某水利枢纽位于中国四川省境内，大坝为碾压混凝土拱坝，工程等级为大(1)型，坝顶高程为658.0m，坝底高程513.0m，最大坝高93.0m，坝顶宽8.0m，拱冠梁底宽32.0m。水库总库容为5.2×108m3。主要建筑物为拦河坝、坝顶溢洪表孔和泄水底孔、电站厂房等组成[4]。大坝工程网格模拟图，见图2。