《用时程分析法对大坝进行动力分析_1》由会员分享，可在线阅读，更多相关《用时程分析法对大坝进行动力分析_1（20页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、从本学科出发，应着重选对国民经济具有一定实用价值和理论意义的课题。课题具有先进性，便于研究生提出新见解，特别是博士生必须有创新性的成果用时程分析法对大坝进行动力分析 摘要： 时程 分析 法是由结构基本运动方程输入地震加速度记录进行积分，求得整个时间历程内结构地震作用效应的 方法 。时程分析法为国际通用的动力分析方法，我国水工建筑物抗震设计规范首次正式规定该方法为大坝动力分析的方法之一。 关键词： 时程分析法 大坝 动力分析 笔者在进行某国际招标项目的设计过程中，根据国际咨询工程师要求，采。本文对有关 内容 进行了论述，可供类似工程 参考 。 1 工程简介 某国际工程以灌溉为主，兼顾 防洪 发电
2、。工程主要由大坝、电站厂房、分水堰及 . 万公顷的灌区组成。大坝为碾压混凝土曲线重力坝，坝顶高程 ，最大坝高 133m ，坝顶全长 31m 。自左向右依次布置有左岸非溢流坝段、溢洪道、电站取水口和右岸非溢流坝段。坝体上游面直立，下游坝坡为 1 ： 0. 。 工程地质 条件 坝址区位于峡谷河段，河谷呈“ V ”字型，底宽约 540m ，两岸基岩裸露，岸坡陡立。河谷两岸岸坡略显不对称，总体上左岸岸坡较陡，右岸岸坡较缓。从河床到高程 左右，两岸岸坡陡峻，左岸平均 ，右岸平均 ；从高程 起向上地形坡度略缓些，但依然较陡，仅局部为 或 0 左右。 坝址区主要由侏罗系灰岩、砂质页岩及第四系全新统冲洪积砂卵
3、砾石组成。河床覆盖层厚度一般为 1 m ，多处可见有基岩出露。 两岸坝肩岩体较差，断层、裂隙、层间剪切带较发育，其相互组合对坝肩岩体的稳定性有一定的 影响 。尤其是与坝肩两岸小角度斜交的断层和裂隙的追踪组合对坝肩稳定最为不利。如断层 F 、 F 、 F1 与层理或顺层剪切带组合，把坝肩切割成棱柱体、楔形体，对坝肩稳定十分不利。 计算 模型 考虑到坝体的规模以及坝址地区的地形地貌和坝基岩体岩性、 结构 面的分布特征，计算模型区域为：左右岸方向为 1000m ，上下游方向为 00m ，坝顶到模型底部为 00m 。计算单元采用八结点三维实体单元及接触单元，坝体沿坝厚度方向分 层实体混凝土单元，共 7
4、60 个；围岩划分 80 个实体单元；坝体与围岩间接触单元共 个。断层间接触元 131 个。整个有限元计算模型单元划分示意见图 1 ，坝体单元划分示意见图 。 模型建立充分考虑坝基和坝肩岩体材料的实际分布情况，并模拟了对坝肩岩体稳定和大坝抗滑稳定明显不利的断层 F 、 F 和 F1 。同时模型中对大坝基础固结灌浆区域进行了模拟。 图 1 整个计算模型单元图 图 坝体网格剖分图 坝体结构按弹性计算，围岩结构按弹塑性计算。在进行弹塑性有限元分析时，围岩采用理想弹塑性本构特性。 计算中非线性应力屈服准则选用德鲁克 - 普拉格准则。 I 1 + = k 式中： = K = I 1 = s 1 + s
5、+ s J = 1/( s 1 - s ) + ( s - s ) + ( s - s 1 ) 当 j 0 时，在主应力空间中德鲁克 - 普拉格准则的屈服面是莫尔 - 库仑内切圆锥；当 j = 0 时，德鲁克 - 普拉格屈服准则就是米赛斯准则。德鲁克 - 普拉格屈服准则优点是考虑了 s 的作用，适用于混凝土、岩石和土壤等颗粒状材料。 计算 参数 .1 岩体 三维有限元计算模型中模拟了坝基岩体的分区，其分区见图 。坝基、坝肩岩体各区原始的物理力学参数见表 1 ，断层、裂隙物理力学指标见表 。固结灌浆范围内岩体的计算参数见表 。 图 坝基岩体分区图 表 1 岩石材料参数表 位置 左岸 坝基 右岸
6、分区编号 弹性模量 E o (GPa) 0. 1 1. 1. 1. . . 1. . . 0. 0. 1 1. . 泊松比 容重 (t /m ) .7 表 断层破碎带主要物理力学指标表 f 0. c (MPa) 弹性模量 E o (GPa F 、 F ： ； F1 ： 说明： 高程以上取低值，以下取高值。 组成物质比重 F 、 F 、 F1 ：.kN /m 表 坝基坝肩岩体主要物理力学指标表 部位 强度指标 坝基 60 以下 60-680 80-700 00-730 30 以上 左岸 右岸 左岸 右岸 左岸 右岸 左岸 右岸 左岸 右岸 岩石的弹性模量 E (GPa) . .7 . .7 .
7、. . . . 混凝土 坝体碾压混凝土计算参数见 表 。 表 混凝土材料计算参数 坝体碾压混凝土 静弹性模量 (GPa) 1 动弹性模量 (GPa) 8. 容重 (kN/m ) 泊松比 线胀系数 (1/ ) 1 10- 导温系数 (m /h) . 坝体的允许应力和稳定安全系数 . 坝体的允许应力 根据美国工程兵团的拱坝设计规范，坝体应力控制标准见表 。 表 坝体应力控制标准 工况 允许压应力 f c (MPa) 允许拉应力 f t (MPa) 上游面 下游面 上游面 下游面 极端荷载组合 13. 16. .0 . .3. 稳定安全系数 根据美国工程兵团的拱坝设计规范，坝体、坝肩抗滑稳定安全系数
8、见表 。 表 坝体、坝肩抗滑稳定安全系数 工况 坝体、坝肩 极端荷载组合 荷载及荷载组合 计算工况为水库正常运用时遭遇最大可信地震，上游水位 ，下游无水，作用在大坝上的荷载主要有自重、静水压力、地震动水压力、波浪压力、泥沙压力、地震动沙压力、扬压力以及温度荷载 。 特殊荷载的计算 方法 如下： 1 ）温度荷载 参照拱坝荷载组合的规定，在 MCE 计算时，温度荷载为温升荷载。 以坝体封拱时的温度场为温度荷载计算的基准温度场，以 10 年后 月 1 日的坝体温度场为计算温升荷载的计算温度场，两个温度场的差值即为温升荷载。 ）地震动沙压力 水工 建筑物抗震设计规范规定，地震对泥沙压力的 影响 ，一般
9、不予考虑，但本工程坝前淤沙厚度很大，动沙压力对坝体应力、变形和稳定有较大影响，必须予以考虑。由于 目前 对于动沙压力的作用机理仍处于 理论 研究 阶段，还没有成熟的计算方法。在美国小坝设计一书中提出“近似的假定为饱和泥沙的动力影响相当于水”，同时考虑到地震过程中淤沙的液化，故在动泥沙压力计算时参照动水压力的计算公式计算地震动沙压力。 ）扬压力 坝基部分帷幕后主排水孔处扬压力折减系数 a=0. ；坝肩部分帷幕后主排水孔处扬压力折减系数 a=0. 。 ）地震荷载 最大可信地震最大水平地震加速度为 ，其地震加速度时程曲线见图 。在计算时，考虑两个方向的地震同时作用。顺河流方向水平地震加速度为 ，铅直
10、方向为 。 图 地震加速度时程曲线 计算结果 及 分析 在坝体上选取若干具有代表性的特征点，分析各特征点的应力、位移和稳定时程曲线，找出坝体的最不利时刻，然后对最不利时刻的坝体状态进行分析。 为了使特征点具有代表性，在特征点的选取过程中，考虑了坝体上下游面、坝体内部、左右两岸和不同高程等因素，按高程选取了三个断面，分别为高程 30m ，高程 03m 和高程 ，共计 个特征点。 .1 坝体应力、位移和坝基稳定安全系数时程曲线的分析 . 坝体应力 坝体的应力状况是通过质点的应力时程曲线反映出来的，在此以拱冠梁上游面高程 30m 处特征点 D 为例进行说明。特征点应力时程曲线见图 。 图 特征点 D
11、 第一主应力时程曲线 (Pa) 图 特征点 D 第三主应力时程曲线 (Pa) 图 特征点 D 正应力时程曲线 (Pa) 通过图 ，可以得到特征点 D 的第一主应力的最大值出现在 秒时刻，其值为 ，最小值出现在 . 和 . 秒时刻，其值为 - ；第三主应力的最小值出现在 . 秒时刻，其值为 - ，最大值出现在 . 秒时刻，其值为 - ；正应力的最小值出现在 秒时刻，其值为 - ，最大值出现在 . 秒时刻，其值为 - 。 通过对各特征点应力的综合分析可得： 1） 建基面在.2s 和.0s 时，坝体应力状况较差，第一主应力最大值 ，正应力最小值 - ，均发生在s 时刻。第三主应力最小值为 - ，发生在.2s 时刻。 ） 高程03m 高程坝内应力状况，在s 左右坝体应力状况比较差.0s 应力状况最差。第一主应力力最大值为 和正
