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1、拱壩設(shè)計(jì)應(yīng)力研究方法現(xiàn)狀研究摘要：本文通過(guò)對(duì)拱壩結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及拱壩的優(yōu)越性的描述，針對(duì)拱壩在很多方面使用的特殊性，總結(jié)了拱壩設(shè)計(jì)應(yīng)力分析方法的現(xiàn)狀，并針對(duì)各個(gè)應(yīng)力分析方法提出其適用的范圍和優(yōu)略。關(guān)鍵詞：拱壩應(yīng)力分析拱梁分載法有限元法前言人類(lèi)修建拱壩具有悠久的歷史，早在一、兩千年以前，人們既開(kāi)始修建拱壩，到第一次世界大戰(zhàn)前，國(guó)外壩高15米以上的拱壩已有40多座，一戰(zhàn)以后，拱壩逐漸被引進(jìn)歐洲，二戰(zhàn)以后，拱壩又有了進(jìn)一步發(fā)展，修建數(shù)量顯著增加。五十年代中期，西歐各國(guó)拱壩的分析方法，除少數(shù)采用試載法外，大多采用純拱法或拱冠法，并通過(guò)結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。進(jìn)入70年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的
2、發(fā)展，有限元法和優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)的逐步采用，使拱壩設(shè)計(jì)和計(jì)算周期大為縮短，設(shè)計(jì)方案更加經(jīng)濟(jì)合理。水工模型試驗(yàn)技術(shù)、混凝土施工工藝、大壩安全監(jiān)控技術(shù)的不斷提高也為拱壩工程技術(shù)的發(fā)展和改進(jìn)創(chuàng)造了條件。1?拱壩的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)拱壩的外荷載主要是通過(guò)拱的作用傳遞到壩端兩岸，壩體應(yīng)力狀態(tài)以受壓為主，這一特性能適應(yīng)壩體材料（混凝土）抗壓強(qiáng)度高的特點(diǎn)，使材料的強(qiáng)度較能充分發(fā)揮。另外，既然拱壩的荷載主要是通過(guò)拱的作用傳遞到壩端兩岸，所以拱壩的穩(wěn)定性主要是依靠壩端兩岸巖體來(lái)維持，而不像重力壩主要是靠自重維持，因此拱壩的體積較重力壩小的多。而且,拱壩屬于高次超靜定的空間殼體結(jié)構(gòu)，具有相當(dāng)強(qiáng)的承載能力，
3、當(dāng)外荷載增加或拱壩某局部開(kāi)裂時(shí)，壩體應(yīng)力可以自行調(diào)整，只要壩肩穩(wěn)定可靠，壩體安全裕度一般較大。綜上所述，拱壩是一種經(jīng)濟(jì)性和安全性都比較優(yōu)越的壩型，在實(shí)際的工程中，其優(yōu)越性已得到廣泛的認(rèn)可。2?拱壩設(shè)計(jì)應(yīng)力分析方法現(xiàn)狀拱壩應(yīng)力分析方法很多，但目前實(shí)際釆用的主要有以下兩類(lèi)：一類(lèi)是以結(jié)構(gòu)力學(xué)假定為基礎(chǔ)的拱梁分載法（試載法）和其他一些方法；另一類(lèi)是以彈性理論或板殼理論為基礎(chǔ)的有限元法。至于其它的方法，目前較少采用。下面對(duì)拱梁分載法、有限元法進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。2.1拱梁分載法拱壩拱梁分載法自30年代由美國(guó)肯務(wù)局提出以來(lái)，已有70多年的歷史，雖然拱梁分載法所需的計(jì)算量較大，但由于這個(gè)方
4、法所依據(jù)的拱梁分載概念和分析方法具有明確的物理意義，計(jì)算結(jié)果比純拱法和拱冠梁法合理，易為工程師們接受，故以成為許多國(guó)家進(jìn)行拱壩計(jì)算的一種規(guī)范化方法。通過(guò)多年實(shí)踐和研究，還擬定出與試載法相適應(yīng)的拱壩設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。拱梁分載法的基本原理是將拱壩的荷載分配給相互獨(dú)立的水平拱和鉛直梁兩個(gè)系統(tǒng)，根據(jù)拱梁交點(diǎn)變位一致條件建立以荷載為未知量的荷載方程，從而求得拱、梁各分擔(dān)的荷載，由此分別計(jì)算拱梁應(yīng)力。在實(shí)際計(jì)算中，我們只在兩套結(jié)構(gòu)體系中選取若干根具有代表性的拱和梁為對(duì)象，根據(jù)它們?cè)诮稽c(diǎn)上的變位協(xié)調(diào)條件，確定其分載情況，并假定這些拱和梁在交點(diǎn)處的變位一致后，其它拱梁變位均能近似協(xié)調(diào)。常規(guī)的拱梁
5、分載法需計(jì)算拱、梁在各種三角形荷載作用下，各結(jié)點(diǎn)處的變位，公式復(fù)雜，程序冗長(zhǎng)，所形成的系數(shù)矩陣零元素少，從而占內(nèi)存多，計(jì)算量大。目前國(guó)內(nèi)的拱梁分載法程序，一般均考慮徑、切、扭（水平扭轉(zhuǎn)）三向變位調(diào)整，或在三向變位調(diào)整的基礎(chǔ)上，再補(bǔ)充用“2m法"或利用水平扭矩和垂直扭矩的互等關(guān)系來(lái)計(jì)算垂直扭載的方法，以反映垂直扭轉(zhuǎn)變位調(diào)整的影響，這相當(dāng)于四項(xiàng)變位調(diào)整。在美國(guó)墾務(wù)局出版的《拱壩設(shè)計(jì)》一書(shū)的附錄中，還介紹了利用切向剪力和豎向剪力的互等關(guān)系來(lái)計(jì)算豎向荷載的方法，以反映豎向變位的影響，這相當(dāng)于五向變位調(diào)整。但在目前國(guó)內(nèi)拱梁分載的影響不易忽略。試載法就其原理來(lái)講，是一種準(zhǔn)確的方法。這
6、可以從兩條途徑加以說(shuō)明：（1）假定拱壩可按殼體理論計(jì)算，則從殼體的基本方程出發(fā)，作若干簡(jiǎn)化處理后，可以得到類(lèi)似于試載法的一些公式；（2）把拱、梁視作為了計(jì)算的需要從整個(gè)壩體中切取出來(lái)的隔離體，所謂分配給梁承擔(dān)的荷載，實(shí)際上是梁上的外荷載和切割面上內(nèi)力的合成力，由此推導(dǎo)出試載法的公式。但由于試載法在計(jì)算中不得不采取一定假定和簡(jiǎn)化，計(jì)算結(jié)果不免帶有一定的近似性。拱梁分載法的主要優(yōu)點(diǎn)有：1）已經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期工程實(shí)踐的考驗(yàn)，并有一套通過(guò)實(shí)踐不斷修訂的應(yīng)力控制指標(biāo)，目前國(guó)內(nèi)外拱壩設(shè)計(jì)，一般仍以此法的應(yīng)力成果作為衡量標(biāo)準(zhǔn)；2）基本概念比較明確，容易為廣大設(shè)計(jì)人員所掌握；3）程序的輸入數(shù)據(jù)少
7、，使用方便,計(jì)算速度快，占用的內(nèi)存少，有條件進(jìn)行各種不同拱壩體形的比較，選用較優(yōu)的拱壩體形。拱梁分載法的主要缺點(diǎn)有：1）計(jì)算方法和假定帶有一定的近似性；2）計(jì)算中某些問(wèn)題的處理帶有一定的任意性;3）如基礎(chǔ)點(diǎn)上荷載分配的假定（一般采用由拱或梁的相鄰點(diǎn)延伸或平移的方法確定）；4）對(duì)于壩體內(nèi)設(shè)有大孔口，尤其是大的中孔和底孔，以及基礎(chǔ)條件復(fù)雜的情況，用拱梁分載法難以得出滿(mǎn)意的結(jié)果；5）拱梁分載法不便于進(jìn)行動(dòng)力分析和非線性分析。2.2有限元法隨著電算技術(shù)的發(fā)展，有限單元法已逐漸應(yīng)用在拱壩的應(yīng)力分析上。有限單元法的發(fā)展為拱壩分析提供了一條
