基于ABAQUS的混凝土高拱坝三维有限元静动力分析

摘要

拱坝具有结构轻巧、造型美观、超载能力强、抗震性能好等优点而被广泛应用于现代水利工程高坝建设中。拱坝是一个复杂的空间壳体结构，其受力状况十分复杂，坝体的应力应变性能是评价拱坝安全性的重要指标，研究复杂荷载作用下的拱坝变形及应力变化规律，将对高拱坝结构的安全性分析评价具有非常重要的意义。本文根据拱坝的发展现状及有限单元法静动力分析的基本理论和计算方法，基于弹塑性理论，应用FEPG.GID软件强大的三维参数化曲面建模功能，建立白鹤滩拱坝三维地基及拱坝实体模型，利用大型有限元分析软件ABAQUS对其进行三维有限元静动力分析与等效应力计算分析。
　　本研究主要内容包括：⑴将拱坝和地基视为一个整体，考虑彼此之间的相互作用。在静力计算中采用弹塑性材料模拟坝体结构，考虑坝体自重、静水压力、温升温降、淤沙压力等荷载的作用，进行了复杂工况条件下的变形和受力特性分析。静力分析结果表明，坝体较大拉压应力出现在坝体与地基交界面，在坝踵及坝趾区域容易出现应力集中现象导致数值偏大。采用等效应力方法消除应力集中现象。⑵动力分析时采用无质量地基进行拱坝模态分析和动力时程分析，研究坝体的自振特性和在地震作用下的动力响应规律。通过模态分析可知，随着库水位不断增加，由动水压力转变的附加质量也相应增大，拱坝的自振频率逐步减小。动力时程分析结果表明，有横缝及无横缝的坝体主拉应力均满足规范要求的拉应力控制标准，但是有横缝坝体下游坝趾处局部区域的主压应力大于规范规定的压应力控制指标，可以采取配置钢筋、提高混凝土标号等措施用以增强该部位的抗压性。在考虑横缝非线性时，横缝最大张开度常发生在靠近左右岸的坝块及中部坝段部位，有必要对这些部位进行分析研究。⑶基于混凝土高拱坝工程实例，采用ABAQUS的三维有限元分析方法得出的位移应力、结构自振和动力响应结果规律性较好，该成果不仅对实际工程的设计及建设具有实际指导作用，而且对同类工程具有参考价值。

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1 绪论

1.1 拱坝的结构特点[1]~[8]

1.2 国内外拱坝的研究进展[9]~[14]

1.3 拱坝的应力分析方法[15]~[19]

1.4 问题的提出及论文的主要研究内容

2 有限单元法静动力分析理论和方法

2.1 有限元静态计算基本原理[21]~[22]

2.2 有限元动力计算基本理论

2.3 拱坝有限元等效应力计算理论

2.4 本章小结

3 有限元计算软件ABAQUS简介

3.1 有限元分析软件概述

3.2 ABAQUS有限元软件介绍[44~45]

3.3 ABAQUS在水利工程中的应用

3.4 动力时程分析法在ABAQUS中的应用

3.5 本章小结

4 混凝土高拱坝整体模型构建及静力分析

4.1 工程概况

4.2 坝址地形地质条件

4.3 拱坝基本资料

4.4 作用荷载及计算工况

4.5 拱坝模型的建立

4.6 静力荷载作用下拱坝有限元计算结果及分析

4.7 拱坝有限元等效应力计算成果分析

4.8 本章小结

5 混凝土拱坝动力分析

5.1 计算模型与计算参数

5.2 坝体模态计算结果与分析

5.3 坝体地震荷载作用下的时程分析

5.4 考虑拱坝非线性的横缝开度分析

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

个人简历及参与项目

致谢