水工建筑物-重力壩有限元

1、3.4.4重力壩有限元分析l1有限元基本原理l結(jié)構(gòu)離散劃分單元，確定單元類型及單元位移模式l 滿足：?jiǎn)卧吔鐥l件；變形協(xié)調(diào)條件l如平面單元位移l式中u vT單元任意點(diǎn)位移；N形函數(shù)；e單元節(jié)點(diǎn)位移l小變形應(yīng)變與位移關(guān)系-幾何方程l式中B幾何矩陣 eTNvuyuxvyvxuxyyx eB l彈性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系-虎克定律 物理方程l式中D物理矩陣l根據(jù)平衡狀態(tài)單元總勢(shì)能最小，單元位移與單元節(jié)點(diǎn)力l式中Pe單元節(jié)點(diǎn)力，l 單元?jiǎng)偠染仃噇求解域節(jié)點(diǎn)平衡的平衡方程組l式中K總剛矩陣；節(jié)點(diǎn)位移；P 節(jié)點(diǎn)荷載 eBDD vTedvBDBK PK eeeFK l引入約束條件，求解總體方程組得出位移l根據(jù)位移及幾

2、何方程求解應(yīng)變、物理方程求解應(yīng)力l2計(jì)算運(yùn)用注意問題l計(jì)算域：壩基及上下游范圍25倍壩高l邊界位移條件：側(cè)邊法線方向位移為0；l 底邊全部位移為0。l應(yīng)力應(yīng)變變化大的區(qū)域單元?jiǎng)澐旨?xì)小l單元幾何形狀避免鈍角，同一單元邊長(zhǎng)比不宜大于2清峪水庫(kù)重力壩廊道應(yīng)力有限元分析成果 壩體水平位移等值云圖 鉛直應(yīng)力等值云圖 廊道周邊鉛直正應(yīng)力 水平正應(yīng)力等值云圖泄洪底孔空間有限元計(jì)算 3.4.5壩體應(yīng)力影響因素l1地基彈性模量影響l 隨壩地彈模比的增大，空庫(kù)壩踵應(yīng)力集中增強(qiáng)l 滿庫(kù)壩趾應(yīng)力集中增大l2地基彈性模量變化影響l 壩踵彈模較大，l 壩踵越易出現(xiàn)拉應(yīng)力l3壩體材料分區(qū)影響l 壩體內(nèi)部材料彈模小，l 外部

3、材料彈模大，分界面l 兩側(cè)應(yīng)力不一致 l4壩體縱縫影響5壩體分期施工影響 l6外界溫度變化及施工過程影響l外界溫度變化引起的溫度應(yīng)力及砼長(zhǎng)期荷載作用徐變l壩體砼施工澆筑過程方法3.6重力壩施工期溫度應(yīng)力及其裂縫防止l1壩體溫度變化過程l溫度上升期：主要砼澆筑后37天l 最高溫度TMAX=砼澆筑溫度TJ+水化熱溫升Trl 水化熱溫升Tr=1525l降溫期：壩體逐步散熱，壩表散熱快，內(nèi)部散熱慢l穩(wěn)定期：壩表隨氣溫變化波動(dòng)，壩內(nèi)接近年均溫度Tdl2壩體溫度應(yīng)力產(chǎn)生原因l 溫度變化產(chǎn)生溫度變形，當(dāng)變形受約束就引起溫度應(yīng)力l 溫度變化T= TMAX Td=TJ+Tr-Tdl 約束：基巖對(duì)砼 老砼對(duì)新澆筑

4、砼l 壩體內(nèi)外砼溫度差變形約束 l溫度應(yīng)力要求l式中：Ec為砼的彈性模量，7d齡期可達(dá)到28d齡期的70%；l為砼的泊松比；為砼的線脹系數(shù)；lkp為由砼徐變引起的應(yīng)力松弛系數(shù)，無(wú)試驗(yàn)取0.5；lkq為早期升溫階段的壓應(yīng)力折減系數(shù)0.750.85；lR為基巖對(duì)砼塊體約束程度系數(shù)，見表3-7表3-8；lA為水化熱應(yīng)力系數(shù)可從圖3-40中查得。 lL為砼極限拉應(yīng)變；K安全系數(shù)l工程中常此式計(jì)算確定TjKEATkTTREklcrqdjcpx)(1 l3溫度裂縫類型及防止措施l 溫度裂縫類型：貫穿性和表面性l 橫向裂縫 漏水滲流l 縱向裂縫 降低壩體整體性l 水平裂縫 降低壩體抗剪強(qiáng)度l 表面裂縫 加速

5、風(fēng)化降低耐久性l 溫度控制目的：防止過大溫差產(chǎn)生裂縫，l 做好接縫灌漿提高施工工效。l溫度控制標(biāo)準(zhǔn)：基礎(chǔ)溫差按澆筑塊邊長(zhǎng)和高度控制l 上下層溫差1525l 內(nèi)外層溫差2025 l溫度控制措施：l降低施工澆筑溫度Tj 預(yù)冷沙石骨料 冰水拌合l減小水化熱Tr 減少水泥用量 合理分區(qū)強(qiáng)度 埋石l 采用低熱大壩水泥 使用外加劑l做好施工期養(yǎng)護(hù) 初期覆蓋防止表面溫降過快和干縮l 灑水養(yǎng)護(hù)l提高砼澆筑質(zhì)量和抗裂性能l 高中壩基礎(chǔ)砼強(qiáng)度不低于C15C20l合理設(shè)置橫縫縱縫加大散熱面，減小基礎(chǔ)澆筑高度。3.7重力壩剖面設(shè)計(jì)l1剖面設(shè)計(jì)原則l滿足穩(wěn)定強(qiáng)度要求-安全性，工程量少-經(jīng)濟(jì)性，方便運(yùn)用施工-實(shí)用性，技術(shù)

6、可行性。l1剖面尺寸要求l壩頂高程l 防浪墻頂高程取兩者大值：設(shè)計(jì)洪水位+h設(shè)l 校核洪水位+h校l h=h1%+hz+hcl 壩頂高程不低于校核洪水位，防浪墻高度1.2m左右。l壩頂寬度：取8%10%壩高，大于2.0m。l上游坡率n=00.2；下游坡率m=0.60.8；l 壩底寬0.70.9壩高，一般0.85以下。 l常用剖面形態(tài)l當(dāng)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)f大于0.7常采用n=0l上游折坡點(diǎn)高度1/21/3壩高處l壩頂形式：實(shí)體式、橋板式、懸臂式重力壩作業(yè)l1已知參數(shù)：l壩高=34.0m 砼容重c= f= c= n= m=l上游水深H1= 下游水深H2= 上下游水位差H=l泥沙淤積hS= s= s= l多年平均最大風(fēng)速V= 吹程D=l波浪壓力要素計(jì)算：h5%= L=l hz=l壩基面揚(yáng)壓力折減系數(shù)= l計(jì)算簡(jiǎn)圖，標(biāo)明荷載符號(hào)，基本按比例繪制。荷載計(jì)算表荷載名稱符號(hào)計(jì)算式鉛直力水平力力臂計(jì)算式力臂值彎矩自重W1243420.1/21387.213.6-3.42/311.3315721.6W2W3小計(jì)11444.740231.3上游水壓P1W3下游水壓P2W4小計(jì)885.94116.0-45146.3 l揚(yáng)壓力