混凝土拱坝三维非线性有限元坝肩稳定分析及程序开发

摘要

拱坝作为一种经济性和安全性均较优越的坝型，应用非常广泛。其稳定性主要是依靠坝肩两岸岩体来维持，对坝肩岩体局部地质缺陷的忽视很有可能引起拱坝的失稳破坏，因此拱坝的坝肩稳定问题是拱坝设计与研究中的重要问题。 目前，在实际工程中主要采用刚体极限平衡法进行拱坝抗滑稳定计算，坝体传给拱座的作用力采用拱梁分载法的相应计算结果。实际上，岩体并非刚体，坝体材料(如混凝土)往往也并非弹性体，其应力一应变关系呈显著的非线性特性，而且拱坝在运行过程中存在着明显的应力重分布现象。基于这种认识，本文在拱坝坝肩稳定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仿真分析等综合考虑，以ANSYS为平台，用APDL语言和多种ANSYS内部函数，开发了混凝土拱坝三维非线性有限元分析程序。利用该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、强度储备安全系数和点安全系数从不同角度分析混凝土拱坝的稳定性。 本文对江西省萍乡市山口岩拱坝进行三维非线性有限元坝肩稳定分析，并与刚体极限平衡法的设计结果进行对比，为该拱坝的设计、优化、施工和运行提供参考。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1概述

1.1.1拱坝的特点

1.1.2拱坝及其设计理论的发展概况

1.2拱坝坝肩稳定分析

1.3混凝土拱坝三维非线性有限元分析

1.4课题来源

1.5本论文主要研究内容

第二章拱坝坝肩稳定分析的研究方法

2.1地质力学模型实验法

2.2可靠度分析法

2.3刚体极限平衡法

2.4有限元分析法

2.5其它方法

2.5.1基于块体理论的稳定分析方法

2.5.2隆德法

2.5.3离散元法(DEM)

2.5.4非连续性变形分析法(DDA)

2.5.5界面元法(ISEM)

2.6本章小结

第三章非线性有限元分析的基本原理

3.1非线性结构分析

3.1.1非线性问题分类

3.1.2弹塑性分析的基本方程

3.1.3强度准则

3.2非线性有限元分析方法

3.2.1初应力法

3.2.2变刚度法

3.2.3增量综合法

3.3有限元中接触问题的研究

3.3.1接触面单元研究历史

3.3.2接触面单元类型

3.3.3接触约束算法

3.4本章小结

第四章坝肩稳定非线性有限元分析在ANSYS中的实现

4.1 ANSYS中的材料非线性分析

4.2 ANSYS中的接触分析

4.2.1一般的接触分类

4.2.2面—面接触分析过程

4.2.3接触面单元参数取值规律

4.3 ANSYS的二次开发

4.3.1参数化程序设计语言(APDL)

4.3.2有限元分析流程

4.4坝肩稳定分析的非线性有限元仿真模型

4.4.1坝体及基岩在ANSYS中的模拟

4.4.2地质缺陷在ANSYS中的模拟

4.5稳定安全系数的计算方法

4.5.1超载安全系数

4.5.2强度储备安全系数

4.5.3点安全系数

4.6本章小结

第五章山口岩拱坝坝肩稳定三维非线性有限元分析

5.1工程简介

5.2有限元计算模型

5.2.1屈服准则和本构关系

5.2.2模型及网格划分

5.3材料参数及相关数据

5.3.1材料参数

5.3.2气温、水温及泥沙情况

5.4坝体应力分析

5.4.1应力计算成果

5.4.2应力成果分析

5.5坝肩稳定分析

5.5.1坝肩稳定问题的失稳判据

5.5.2超载稳定安全系数的计算

5.5.3强度储备安全系数的计算

5.5.4点安全系数的计算

5.6坝肩稳定成果分析

5.7本章小结

第六章总结与展望

6.1总结

6.2存在的问题与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的研究成果