混凝土拱坝三维非线性有限元应力分析及裂缝追踪计算研究

摘要

近年来，有限元法被广泛地用于拱坝的结构分析，但用三维弹性有限元法计算拱坝应力时，近基础部位存在着显著的应力集中现象，而且应力数值随着网格的加密而急剧增加，尤其是有限元法算出的拉应力有时远远超过了混凝土的抗拉强度，因而很难直接用有限元法计算结果来确定拱坝体形；对于理想的弹性固体，上述应力集中现象是可以理解的，但实际工程中，由于岩体内存在着大小不等的各种裂隙，混凝土随着应力上升会产生塑化，这些将使应力集中现象会有所缓和。本文提出应用三维非线性有限元法对拱坝进行应力分析，同时考虑基础岩体内存在大小不等的各种裂隙的方法来缓和坝体近基础部位应力集中问题，结合山口岩拱坝进行三维非线性有限元应力分析，并与多拱梁法和有限元等效应力法的计算结果进行了比较分析，对比分析表明本文提出的方法能有效缓和坝体近基础部位的应力集中问题。 本文对混凝土的开裂机理和裂缝模拟进行了研究和探讨，比较分析了各种混凝土裂缝计算模型，结合实际工程对山口岩拱坝进行裂缝追踪计算，对拱坝横缝和诱导缝的设置进行了探讨。 本文以ANSYS8.0为平台，运用参数化设计语言APDL开发了拱坝可视化建模输入界面，使得拱坝有限元模型的建立过程操作更为直观、方便、快捷。用户操作方式按照流程顺序设计，操作方便；可大大提高拱坝有限元分析效率。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1国内外拱坝发展概况

1.2拱坝的结构特点

1.3拱坝应力分析方法

1.3.1拱梁分载法

1.3.2有限元法

1.3.3模型试验法

1.3混凝土裂缝稳定分析研究进展

1.3.1裂缝试验研究

1.3.2裂缝数值模型与数值模拟研究

1.4问题的提出

1.5课题来源

1.6本文主要研究内容

第二章混凝土非线性分析的基本原理

2.1非线弹性本构模型

2.1.1一般非线性弹性模型(Cauchy模型)

2.1.2超弹性模型(Green模型)

2.1.3弹性模型

2.1.4混凝土常用的非线性弹性模型

2.2混凝土多参数强度准则

第三章混凝土开裂机理分析与裂缝模型

3.1混凝土损伤一断裂破坏机理

3.2混凝土单元开裂闭合的应力应变关系矩阵

3.2.1混凝土拉裂应力应变关系矩阵

3.2.2混凝土裂缝闭合的应力应变关系矩阵

3.2.3混凝土破坏后的应力应变关系矩阵

3.3混凝土开裂或破坏的应力释放问题

3.4裂缝模型

第四章基于ANSYS二次开发的拱坝可视化建模程序

4.1 ANSYS的发展及程序概述

4.2 ANSYS参数化设计语言

4.2.1参数概念与变量的赋值

4.2.2参数与数据文件的读入与写出

4.2.3流程控制

4.3 APDL参数化设计语言的功能

4.3.1 APDL宏功能及其创建方法

4.3.2用户化图形交互界面

4.4拱坝可视化建模程序的二次开发

4.4.1拱坝可视化建模程序开发的目的和意义

4.4.2二次开发拱坝可视化建模程序

4.5 小结

第五章山口岩拱坝有限元应力分析及裂缝追踪计算

5.1工程概况

5.1.1工程基本概况

5.1.2拱坝形体尺寸

5.1.3工程地质

5.1.4坝体及基岩的材料参数

5.1.5水文、气象参数及泥沙资料

5.2有限元模型的建立

5.3山口岩拱坝非线性有限元应力分析

5.3.1荷载及计算工况

5.3.2拱坝有限元分析中缓和应力集中现象方法的探讨

5.3.3计算成果及比较分析

5.4山口岩拱坝非线性有限元裂缝追踪计算

5.4.1工况1(自重+正常蓄水位+沙压+温降)裂缝追踪计算

5.4.1工况2(自重+正常蓄水位+沙压+温升)裂缝追踪计算

5.5碾压混凝土拱坝诱导缝设置探讨

5.5.1诱导缝的工作机理

5.5.2诱导缝设置的探讨

5.6小结

第六章总结与展望

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