模擬澆筑程序下的拱壩體形優(yōu)化.pdf

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1、10水利建設與管理·2011年第5期單元劃分壩體及壩基，以形成有限單元模型，通過單元生死的運用，模擬重力荷載按工程澆筑程序分步作用情況；針對拱壩所受溫度荷載的不同，依據(jù)穩(wěn)態(tài)溫度場分布和影響情況，運用有限元應力分析理論，把溫度荷載作為耦合荷載的形式對拱壩進行應力分析，確定狀態(tài)變量和目標函數(shù)；最后，對拱壩重力荷載分步作用和整體作用兩種情況下的優(yōu)化結構進行對比分析。通過對比可知，在拱壩進行優(yōu)化分析時考慮施工過程，所得拱壩體形優(yōu)化結果一更加接近實際，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構，拱壩的開挖線根據(jù)地形、地質、河谷形狀等條件的不同，開挖面一般是不規(guī)則的曲面，因而不適宜用一個統(tǒng)一的方程來描述實際的開挖面，同時開挖面是設計人員給出的，具有不確定性，且開挖線的形狀對拱壩結構應力分析的成果影響很大，宜在兩岸根據(jù)設計的開挖線通過控制點連曲線的方法擬合開挖線，將壩基進行參數(shù)化。壩基參數(shù)化的關鍵問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化為一平面。根據(jù)圣維南原理，拱壩基礎越大，則基礎邊界約束條件對壩體的應力和位移的影響越小。根據(jù)經驗，以坐標原【摘要】本文以有限元軟件ANSYS10．0為平臺，

3、通過單元點為基準，向軸的正負方向分別延伸2倍壩高，Y軸的生死的運用，模擬重力荷載按工程澆筑程序分步作用情況，同正負方向也分別延伸2倍壩高，壩基底部向z軸的負方時針對拱壩所受溫度荷載的不同，依據(jù)穩(wěn)態(tài)溫度場分布和影向延伸2倍壩高，以此對壩基進行參數(shù)化。響情況，把溫度荷載作為耦合荷載的形式對拱壩進行應力分2．1．2壩體參數(shù)化析。通過將模擬壩體施工澆筑過程和體形優(yōu)化設計有效地結合起來，得出了更加實際的拱壩體形。拱壩壩體的參數(shù)化設計，主要通過拱冠梁剖面和水【關鍵詞】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”兩部分來實現(xiàn)。a．拱冠梁參數(shù)化設

4、計。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、地質及荷載作用下，線，其方程如下[]：利用數(shù)學規(guī)劃，尋找合理的體形，其目的在于應用，應更f=0，當y=0時好地結合施工過程，滿足實際要求。在混凝土拱壩的施工=葉6y+c{=死，當y=m~／時過程中拱壩是分層澆筑的，施工過程對壩體的應力場有I~=-／3，當y=H時著重要影響。若不考慮真實的施工過程，忽略自重荷載的式中壩高；加載路徑和結構體形的變化，將會給拱壩的設計結果帶口，b，c——二次式的系數(shù)；來誤差。，盧，盧廠—設計參數(shù)；本文以有限元軟件ANS

5、YS10．0為平臺，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各設計參數(shù)的取值范圍為：Or=0．55～0．65，=O．3～0．7，形河谷，谷底對稱，寬50m。平面上呈向下游收縮的喇叭=0．5~0．750形，壩肩巖體堅硬完整，風化深度淺，可看作整體無裂隙。確定拱冠梁厚度：由經驗可知，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、壩的交點位于同一條水平線上，壩頂處左、右拱軸線弦長分底寬度瓦作為設

6、計變量。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(kg／m3)(MPa)數(shù)(1O1℃)(m3／月)計變量參與優(yōu)化，本文將r取為常數(shù)，令r=l?；炷凉皦?4．520O．171．03．O綜上所述，在拱壩體型設計中，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)化設計。水平拱圈中心

7、線采用拋物對拱壩來講，溫度荷載是拱壩設計中的一項主要荷線形式，左、右岸壩肩選定在一條水平線上。壩肩厚度類載。本文主要考慮溫升情況，溫度荷載是以封拱溫度場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的壩體溫度場變化，確定計算模型溫度邊界度，通過指數(shù)形式變化到壩底處的厚度，取設計變量為壩條件，邊界溫度按年變化取值，并進行有限元溫度場計肩、壩頂處的厚度。算，然后，將溫度場與封拱溫度的溫差作為溫度荷載對拱水平拱圈的拋物線參數(shù)方程如下：壩進行應力分析，作為拱壩所受荷載的一個荷載步。f一2在變化的溫度場中，溫度應力的極值比氣溫極值一{Ra，)，_yc

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