模擬澆筑程序下的拱壩體形優(yōu)化.pdf

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1、10水利建設(shè)與管理·2011年第5期單元?jiǎng)澐謮误w及壩基，以形成有限單元模型，通過(guò)單元生死的運(yùn)用，模擬重力荷載按工程澆筑程序分步作用情況；針對(duì)拱壩所受溫度荷載的不同，依據(jù)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分布和影響情況，運(yùn)用有限元應(yīng)力分析理論，把溫度荷載作為耦合荷載的形式對(duì)拱壩進(jìn)行應(yīng)力分析，確定狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)；最后，對(duì)拱壩重力荷載分步作用和整體作用兩種情況下的優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析。通過(guò)對(duì)比可知，在拱壩進(jìn)行優(yōu)化分析時(shí)考慮施工過(guò)程，所得拱壩體形優(yōu)化結(jié)果一更加接近實(shí)際，優(yōu)邑化后的壩體體積較小，節(jié)省工程量及工程投資。2基于ANSYS的拱壩體形優(yōu)化2．1拱壩模型參數(shù)化2．1．1壩基參數(shù)

2、化拱壩是嵌固在基巖上的空間殼體結(jié)構(gòu)，拱壩的開(kāi)挖線根據(jù)地形、地質(zhì)、河谷形狀等條件的不同，開(kāi)挖面一般是不規(guī)則的曲面，因而不適宜用一個(gè)統(tǒng)一的方程來(lái)描述實(shí)際的開(kāi)挖面，同時(shí)開(kāi)挖面是設(shè)計(jì)人員給出的，具有不確定性，且開(kāi)挖線的形狀對(duì)拱壩結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析的成果影響很大，宜在兩岸根據(jù)設(shè)計(jì)的開(kāi)挖線通過(guò)控制點(diǎn)連曲線的方法擬合開(kāi)挖線，將壩基進(jìn)行參數(shù)化。壩基參數(shù)化的關(guān)鍵問(wèn)題是如何確定壩體與壩基的連接情況。本文將拱壩與兩岸的接觸面簡(jiǎn)化為一平面。根據(jù)圣維南原理，拱壩基礎(chǔ)越大，則基礎(chǔ)邊界約束條件對(duì)壩體的應(yīng)力和位移的影響越小。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，以坐標(biāo)原【摘要】本文以有限元軟件ANSYS10．0為平臺(tái)，

3、通過(guò)單元點(diǎn)為基準(zhǔn)，向軸的正負(fù)方向分別延伸2倍壩高，Y軸的生死的運(yùn)用，模擬重力荷載按工程澆筑程序分步作用情況，同正負(fù)方向也分別延伸2倍壩高，壩基底部向z軸的負(fù)方時(shí)針對(duì)拱壩所受溫度荷載的不同，依據(jù)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分布和影向延伸2倍壩高，以此對(duì)壩基進(jìn)行參數(shù)化。響情況，把溫度荷載作為耦合荷載的形式對(duì)拱壩進(jìn)行應(yīng)力分2．1．2壩體參數(shù)化析。通過(guò)將模擬壩體施工澆筑過(guò)程和體形優(yōu)化設(shè)計(jì)有效地結(jié)合起來(lái)，得出了更加實(shí)際的拱壩體形。拱壩壩體的參數(shù)化設(shè)計(jì)，主要通過(guò)拱冠梁剖面和水【關(guān)鍵詞】混凝土拱壩拋物線有限元分層澆注ANSYS平拱圈，即“拱向”和“梁向”兩部分來(lái)實(shí)現(xiàn)。a．拱冠梁參數(shù)化設(shè)

4、計(jì)。拱冠梁的參數(shù)化主要是確定l引言上游面曲線方程形式及拱冠梁厚度。上游曲面為二次曲拱壩體形優(yōu)化是在已有的地形、地質(zhì)及荷載作用下，線，其方程如下[]：利用數(shù)學(xué)規(guī)劃，尋找合理的體形，其目的在于應(yīng)用，應(yīng)更f=0，當(dāng)y=0時(shí)好地結(jié)合施工過(guò)程，滿(mǎn)足實(shí)際要求。在混凝土拱壩的施工=葉6y+c{=死，當(dāng)y=m~／時(shí)過(guò)程中拱壩是分層澆筑的，施工過(guò)程對(duì)壩體的應(yīng)力場(chǎng)有I~=-／3，當(dāng)y=H時(shí)著重要影響。若不考慮真實(shí)的施工過(guò)程，忽略自重荷載的式中壩高；加載路徑和結(jié)構(gòu)體形的變化，將會(huì)給拱壩的設(shè)計(jì)結(jié)果帶口，b，c——二次式的系數(shù)；來(lái)誤差。，盧，盧廠—設(shè)計(jì)參數(shù)；本文以有限元軟件ANS

5、YS10．0為平臺(tái)，采用合適的——拱冠梁壩底寬度；林騫等，模擬澆筑程序下的拱壩體形優(yōu)化——拱冠梁壩頂寬度。及引水發(fā)電等建筑物組成。壩址選擇處寬高比2：1，為v各設(shè)計(jì)參數(shù)的取值范圍為：Or=0．55～0．65，=O．3～0．7，形河谷，谷底對(duì)稱(chēng)，寬50m。平面上呈向下游收縮的喇叭=0．5~0．750形，壩肩巖體堅(jiān)硬完整，風(fēng)化深度淺，可看作整體無(wú)裂隙。確定拱冠梁厚度：由經(jīng)驗(yàn)可知，拱冠梁的厚度變化規(guī)拱壩最大壩高100m，左、右岸頂拱拱圈中心曲線在壩肩律是從壩頂?shù)綁蔚字饾u變厚的，因此選取壩頂寬度、壩的交點(diǎn)位于同一條水平線上，壩頂處左、右拱軸線弦長(zhǎng)分底寬度瓦作為設(shè)

6、計(jì)變量。假定拱冠梁厚度變化服從指數(shù)別為115m、85m。壩體的材料參數(shù)見(jiàn)表1。規(guī)律變化，厚度變化方程如下：表1材料參數(shù)(z)=+(一)(寺)參數(shù)材料密度彈性模量泊松比線膨脹系導(dǎo)溫系數(shù)式中，r為指數(shù)，r=l～5，可以取為常數(shù)，也可以作為設(shè)(kg／m3)(MPa)數(shù)(1O1℃)(m3／月)計(jì)變量參與優(yōu)化，本文將r取為常數(shù)，令r=l。混凝土拱壩24．520O．171．03．O綜上所述，在拱壩體型設(shè)計(jì)中，用參數(shù)Ot、盧、、Tb、基巖22170．23．O3．0就可確定壩體拱冠梁的形狀，即拱壩鉛直剖面的幾何形狀。3．2溫度荷載作用b．水平拱圈參數(shù)化設(shè)計(jì)。水平拱圈中心

7、線采用拋物對(duì)拱壩來(lái)講，溫度荷載是拱壩設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)主要荷線形式，左、右岸壩肩選定在一條水平線上。壩肩厚度類(lèi)載。本文主要考慮溫升情況，溫度荷載是以封拱溫度場(chǎng)為似于拱冠梁厚度變化規(guī)律，壩肩厚度的變化由壩頂處厚初始溫度場(chǎng)的壩體溫度場(chǎng)變化，確定計(jì)算模型溫度邊界度，通過(guò)指數(shù)形式變化到壩底處的厚度，取設(shè)計(jì)變量為壩條件，邊界溫度按年變化取值，并進(jìn)行有限元溫度場(chǎng)計(jì)肩、壩頂處的厚度。算，然后，將溫度場(chǎng)與封拱溫度的溫差作為溫度荷載對(duì)拱水平拱圈的拋物線參數(shù)方程如下：壩進(jìn)行應(yīng)力分析，作為拱壩所受荷載的一個(gè)荷載步。f一2在變化的溫度場(chǎng)中，溫度應(yīng)力的極值比氣溫極值一{Ra，)，_yc

8、+奇般滯后1-1．5個(gè)月，氣溫通常1月中旬最低、7月中旬最式中R——拋物線在頂點(diǎn)