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1、拱壩體形設(shè)計方法綜述摘要：在對拱壩進行體形設(shè)計時，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，須對選定的體形進行壩體應(yīng)力和壩肩巖體抗滑穩(wěn)定分析，根據(jù)計算結(jié)果，不斷修改，直到獲得符合技術(shù)經(jīng)濟要求的設(shè)計方案。關(guān)鍵詞：拱壩應(yīng)力分析發(fā)展現(xiàn)狀中圖分類號：TV642文獻標識碼：A文章編號：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)力計算的因素較多，進行嚴格的理論計算是有困難的。因此，在作拱壩應(yīng)
2、力分析時，一般都需要作一些必要的假定和簡化，對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，從而以便對結(jié)果進行計算和驗證。純拱法假定拱壩由若干層水平拱圈迭合而成，各層拱圈各自獨立工作，互不影響，只考慮拱壩中拱的作用，不計懸臂梁的影響，荷載全部由拱承擔(dān)，從而將一個體形復(fù)雜的高次超靜定拱壩簡化為若干個彈性固端拱，采用工程力學(xué)中拱結(jié)構(gòu)的計算方法，便可求出拱圈的變位和應(yīng)力。該方法概念明確，原理簡單，計算方便，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處變位一致的條件將荷載分配到拱和梁兩個系統(tǒng)上，梁為靜定結(jié)構(gòu)，其應(yīng)力容易計算，拱的應(yīng)力則按彈性固端拱進行計算，計算拱、梁荷系統(tǒng)載分配的方法可以用試荷載法，也可以用計算機求解聯(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,拱梁荷載分配時需考慮拱梁每個交點處的變位協(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。在進行拱壩應(yīng)力分析時就可采用殼體理論來計算，即殼體理論計算方。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)點相連接，通過建立結(jié)點位移和結(jié)點力之間的平衡方程，求得結(jié)點位移，進而求出單元應(yīng)力。有限單元法適應(yīng)性強，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，并可進行仿真計算。對于不同的單元，求解的精度也不一樣。結(jié)構(gòu)模型試驗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的應(yīng)變變化通過應(yīng)變儀來量測，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行拱壩的應(yīng)力計算分析，而到70年代中期以后，有限元法在很多科學(xué)領(lǐng)域和實際問題中得到了廣泛應(yīng)用，由于該方法的計算分析能力強、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，也可用于拱壩的動力分析。常用的分析軟件有ANSYS、ADAP、ADINA等，除此之外，對于非線性、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、為一種先進的數(shù)值分析方法，在進行應(yīng)力分析時能夠?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)力計算結(jié)果缺往往在某些部位存在集中效應(yīng)，此外對于不同單元形式或采用不同的單元劃分，其應(yīng)力計算結(jié)果也會不一樣，因此，在實際工程中的應(yīng)用存在一定的困難。針對這一問題，我國大量專家提出了等效應(yīng)力法，同時提出了有限元一多拱梁耦合計算方法，基礎(chǔ)采用有限元法計算，而壩體則用多拱梁法來計算。在對拱壩的平面布置和應(yīng)力計算完成之后，就需要對壩肩巖體進行抗滑穩(wěn)定分析，這在許多國家的拱壩設(shè)計規(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)值計算法，二是模型試驗法。而數(shù)值計算法乂有剛體極限平衡法和有限元法之分。模型試驗法由于受地形地質(zhì)條件和施工條件等方面的制約，只能在小范圍內(nèi)進行測試，所以試驗結(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塊為不發(fā)
