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1、拱壩體形設(shè)計(jì)方法綜述摘要：在對(duì)拱壩進(jìn)行體形設(shè)計(jì)時(shí)，需選定拱壩體形的類型、選定壩軸線位置和壩頂中心角，確定拱冠梁的位置和拱壩參考面。在拱壩的體形確定之后，須對(duì)選定的體形進(jìn)行壩體應(yīng)力和壩肩巖體抗滑穩(wěn)定分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，不斷修改，直到獲得符合技術(shù)經(jīng)濟(jì)要求的設(shè)計(jì)方案。關(guān)鍵詞：拱壩應(yīng)力分析發(fā)展現(xiàn)狀中圖分類號(hào)：TV642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1拱壩應(yīng)力分析理論純拱法、拱梁分載法、殼體理論法、有限單元法等方法都為進(jìn)行拱壩應(yīng)力分析的常用方法。由于拱壩結(jié)構(gòu)復(fù)雜，影響應(yīng)力計(jì)算的因素較多，進(jìn)行嚴(yán)格的理論計(jì)算是有困難的。因此，在作拱壩應(yīng)
2、力分析時(shí)，一般都需要作一些必要的假定和簡(jiǎn)化，對(duì)于重大工程和高拱壩這種重要的工程的壩體應(yīng)力分析還要結(jié)合結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)，從而以便對(duì)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算和驗(yàn)證。純拱法假定拱壩由若干層水平拱圈迭合而成，各層拱圈各自獨(dú)立工作，互不影響，只考慮拱壩中拱的作用，不計(jì)懸臂梁的影響，荷載全部由拱承擔(dān)，從而將一個(gè)體形復(fù)雜的高次超靜定拱壩簡(jiǎn)化為若干個(gè)彈性固端拱，采用工程力學(xué)中拱結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法，便可求出拱圈的變位和應(yīng)力。該方法概念明確，原理簡(jiǎn)單，計(jì)算方便，但由于忽略了拱圈間的相互作用，求得的應(yīng)力往往偏大，與拱壩的實(shí)際工作情況也不符合。拱梁分載法是當(dāng)前
3、用于拱壩應(yīng)力分析的基本方法，在拱壩設(shè)計(jì)中廣泛采用。其原理是將拱壩視作由一系列水平拱圈和鉛直懸臂梁兩種結(jié)構(gòu)系統(tǒng)所組成,假定荷載由拱和梁共同承擔(dān)，按照拱和梁在各交點(diǎn)處變位一致的條件將荷載分配到拱和梁兩個(gè)系統(tǒng)上，梁為靜定結(jié)構(gòu)，其應(yīng)力容易計(jì)算，拱的應(yīng)力則按彈性固端拱進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算拱、梁荷系統(tǒng)載分配的方法可以用試荷載法，也可以用計(jì)算機(jī)求解聯(lián)立方程組來代替試算。拱梁分載法包括多拱梁法和拱冠梁法,前者將拱壩看成由一系列水平拱和一系列鉛直梁組成,拱梁荷載分配時(shí)需考慮拱梁每個(gè)交點(diǎn)處的變位協(xié)調(diào)。而后者只取拱冠處一根懸臂梁，根據(jù)各層拱圈與
4、拱冠梁交點(diǎn)處徑向變位一致的條件求得拱梁荷載分配，且拱圈所分配到的徑向荷載從拱冠到拱端為均勻分布，認(rèn)為拱冠梁兩側(cè)梁系的受力情況與拱冠梁一樣。拱壩在空間上為一殼體結(jié)構(gòu)，殼體主要是沿厚度均勻分別的中面應(yīng)力來抵抗外荷載，具有很好地承載能力。在進(jìn)行拱壩應(yīng)力分析時(shí)就可采用殼體理論來計(jì)算，即殼體理論計(jì)算方。由于拱壩的幾何形狀及邊界條件比較復(fù)雜，利用殼體理論進(jìn)行求解非常困難，從而這種方法受到了很大的限制。殼體理論計(jì)算方法主要適用于厚度與曲率半徑之比小于1/10的薄拱壩或穹壩，利用有限差分求解。有限單元法是用離散模型代替連續(xù)體結(jié)構(gòu)，從
5、而把地基和壩體離散為若干單元，相鄰單元間以節(jié)點(diǎn)相連接，通過建立結(jié)點(diǎn)位移和結(jié)點(diǎn)力之間的平衡方程，求得結(jié)點(diǎn)位移，進(jìn)而求出單元應(yīng)力。有限單元法適應(yīng)性強(qiáng)，兒乎可用于任何拱壩。能正確反映壩體角緣和孔洞等的影響，可用于解算體形復(fù)雜、壩內(nèi)有較大的中孔或底孔、設(shè)有墊座或重力墩以及壩基內(nèi)有斷層、裂隙、軟弱夾層的拱壩在各種荷載作用下的應(yīng)力和變形，并可進(jìn)行仿真計(jì)算。對(duì)于不同的單元，求解的精度也不一樣。結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)法一般是用石膏加硅藻土組成的脆性材料，制作成拱壩整體模型，模型在加載前后各點(diǎn)的應(yīng)變變化通過應(yīng)變儀來量測(cè)，從而獲得壩體的應(yīng)力分布，
6、也可以用環(huán)氧樹脂來制作模型，采用偏光彈性力學(xué)的方法量測(cè)并分析得出拱壩的應(yīng)力。2拱壩應(yīng)力分析理論發(fā)展現(xiàn)狀在1970年以前，我國主要是采用拱梁分載法進(jìn)行拱壩的應(yīng)力計(jì)算分析，而到70年代中期以后，有限元法在很多科學(xué)領(lǐng)域和實(shí)際問題中得到了廣泛應(yīng)用，由于該方法的計(jì)算分析能力強(qiáng)、快速靈活和有效性，逐漸被用于拱壩的應(yīng)力分析中。有限元法可適用于任何形狀的拱壩，也可用于拱壩的動(dòng)力分析。常用的分析軟件有ANSYS、ADAP、ADINA等，除此之外，對(duì)于非線性、仿真等問題一些單位還研制了專用的程序，并不同程度的應(yīng)用于許多工程中。有限元法作
7、為一種先進(jìn)的數(shù)值分析方法，在進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)能夠?qū)?fù)雜地基、分期施工、壩體孔口等因素的影響考慮在內(nèi)，但應(yīng)力計(jì)算結(jié)果缺往往在某些部位存在集中效應(yīng)，此外對(duì)于不同單元形式或采用不同的單元?jiǎng)澐?，其?yīng)力計(jì)算結(jié)果也會(huì)不一樣，因此，在實(shí)際工程中的應(yīng)用存在一定的困難。針對(duì)這一問題，我國大量專家提出了等效應(yīng)力法，同時(shí)提出了有限元一多拱梁耦合計(jì)算方法，基礎(chǔ)采用有限元法計(jì)算，而壩體則用多拱梁法來計(jì)算。在對(duì)拱壩的平面布置和應(yīng)力計(jì)算完成之后，就需要對(duì)壩肩巖體進(jìn)行抗滑穩(wěn)定分析，這在許多國家的拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范中都是有明確規(guī)定的。用于拱壩壩肩壩基抗滑穩(wěn)定
8、分析的方法：一是數(shù)值計(jì)算法，二是模型試驗(yàn)法。而數(shù)值計(jì)算法乂有剛體極限平衡法和有限元法之分。模型試驗(yàn)法由于受地形地質(zhì)條件和施工條件等方面的制約，只能在小范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，所以試驗(yàn)結(jié)果具有一定的局限性。目前國內(nèi)外最常用的是剛體極限平衡法。剛體極限平衡法的概念比較清楚，方法簡(jiǎn)單；但忽略了很多因素，比較粗略。剛體極限平衡法首先假定壩肩巖體可能滑動(dòng)塊為不發(fā)
