混凝土拱坝三维非线性有限元坝体材料分区计算研究

摘要

随着三维非线性有限元法的广泛应用于拱坝应力分析，有些拱坝坝体由于局部应力的强度要求不同而采用不同的混凝土设计标号，而这些不同混凝土材料的标号，所造成的拱坝坝体应力与不考虑混凝土坝体材料标号分区时应力、应变分布情况是不同的。所以考虑混凝土坝体材料标号分区时的拱坝应力、应交分析是拱坝设计与研究的一个重要问题。 在实际工程中除采用拱梁分载法进行拱坝坝体应力、应变计算外，规范中也规定在一定条件下要用有限元法计算拱坝坝体应力。实际上，岩体并非刚性体，坝体筑坝材料(如混凝土)也并非完全弹性材料，其应力应变关系呈一定的非线性特性。 基于以上考虑，在拱坝坝体三维非线性有限元应力分析方法的理论研究基础上，将混凝土多参数强度准则、非线性本构关系及坝体与基岩的分析方法等综合考虑，以ANSYS为平台，用APDL参数语言和多种ANSYS内部函数，开发编制了混凝土拱坝三维非线性有限元坝体材料分区命令流分析计算程序。利用该分析计算程序可较为方便地对复杂地基上的拱坝进行应力、应变分析，进而利用超载安全系数法来分析混凝土拱坝的稳定性。 在不考虑坝体混凝土分区与考虑坝体混凝土分区以及改变混凝土材料标号的情况下，对江西省萍乡市山口岩拱坝进行三维非线性有限元坝体混凝土应力分析，并将各计算成果进行对比，为该拱坝的设计、优化、施工和运行提供一定的参考。

目录

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第1章绪论

1.1拱坝的基本特点及发展概况

1.1.1拱坝的基本特点

1.1.2拱坝的发展概况

1.2拱坝坝体应力分析方法

1.3非线性有限元分析法

1.4拱坝坝体混凝土标号分区

1.5课题来源

1.6本论文主要研究内容

第2章混凝土非线性有限元分析

2.1有限元法的基本原理

2.2结构非线性分类

2.3混凝土非线弹性本构模型

2.3.1全量式本构形式

2.3.2增量式本构形式

2.4混凝土弹塑性本构模型

2.4.1屈服准则

2.4.2流动准则

2.4.3硬化准则(强化准则)

2.4.4加载准则

2.5混凝土多参数破坏准则

2.6本章小结

第3章基于ANSYS的命令流编制与非线性接触问题

3.1 ANSYS简介

3.2基于ANSYS的APDL开发

3.2.1 APDL参数化设计语言

3.2.2 APDL宏程序设计

3.2.3有限元分析流程图

3.3非线性接触问题

3.3.1 ANSYS接触单元方式

3.3.2面—面接触分析过程

3.3.3简化的接触分析研究

3.4本章小结

第4章非线性有限元法在ANSYS中的实现

4.1 ANSYS基本分析过程

4.2 ANSYS材料非线性分析过程

4.3 APDL命令流的编制

4.4超载及裂缝分析基本原理

4.5本章小结

第5章山口岩拱坝坝体考虑材料分区非线性应力对比分析研究

5.1拱坝基本工程概况

5.1.1拱坝体形参数

5.1.2坝址地形、地质

5.1.3材料参数

5.1.4拱坝计算载荷

5.2三维非线性有限元模型建立

5.3山口岩拱坝坝体有限元非线性应力分析

5.3.1计算工况

5.4不考虑坝体混凝土分区计算结果及分析

5.5考虑坝体混凝土分区的计算结果及分析

5.5.1坝体防渗层取C20的计算成果与分析

5.5.2坝体防渗层取C25的计算成果与分析

5.6非线性有限元法与拱梁分载法计算结果比较分析

5.7超载分析计算(包括破坏阶段)

5.8对岩体灌浆处理后拱坝非线性有限元分析的初步探讨

5.9小结

第6章总结与展望

6.1总结

6.2展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果