永定桥碾压混凝土重力坝孔口应力三维有限元分析.pdf

第 3 2卷第 6期 2 0 1 1年 1 2月 华北水利水电学院学报 J o u r n a l o f N o Ah C h i n a I n s t i t u t e o f W a t e r C o n s e r v a n c y a n d Hy d r o e l e c t r i c P o w e r V0 1 ． 3 2 No ．6 DC C．2O1 1 文章编 号： 1 0 0 2— 5 6 3 4 ( 2 0 1 1 ) 0 6— 0 0 4 2 — 0 3 永定桥碾压混凝土重 力坝孔 口应力三维有 限元分析 姚 帅强 ，路 遥 ，田华祥 ( 1 ． 华北水利水 电学院 ， 河南 郑州 4 5 0 0 1 1 ； 2 ． 黄河勘测规划设计有限公 司， 河南 郑州 4 5 0 0 0 3 ) 摘 要 ： 应用 A N S Y S 软件对永定桥碾压混凝土重力坝 4 坝段进行拟静力计算 ， 分析 了泄洪中孔在正常蓄水位 和校核洪 水位 工况下 的应力分布情况 ， 重点分析 了在地震作用下 的应 力分布情况 ， 得 出泄 洪中孔在地震作用 下的应力 分布规律基本上与正常蓄水位的应力分布规律 一致 ， 量值 略大 ， 为泄洪 中孑 L 的配 筋及结构优化提供 了依据． 关键词 ： 重力坝 ； 拟静力 ； 泄洪中孔 ； 正常蓄水位 ； 地震作用 永定桥坝址位于飞水沟 口下游较狭窄的“ u ” 型 峡谷河段 ， 河流总体 由近东西 向转为近南东向流经 坝址区 ， 两岸地形呈上缓下 陡的地貌形态， 左岸 以 1 5 4 0 ． 0 0 m高程为界 ， 下部地形为凹 向山内的悬崖 状陡壁 ， 上部地形平缓 ， 一般地形坡度 1 0 。 一 2 0 。 ； 右 岸以 1 5 3 0 ． 0 0 m高程 为界 ， 下部地形 坡度 7 0 。一 8 0 。 ， 上部地形坡度 2 5 。 ～3 5 。 ． 坝址两岸上、 下游均有 沟谷切割 ， 尤以左岸下游石棕材沟切割较深． 枯水期 河床水面高程约为 1 4 4 8 ． 5 2 m， 宽约 1 3—1 5 m． 坝 址两岸谷坡陡峻 ， 基岩裸露， 谷底及两岸由志留系罗 惹坪组细晶白云岩及砂质灰岩组成 ， 地层产状平缓 ， 岩体较完整 ， 强度较高． 坝 址控制 流 域 面 积 1 4 2 ． 7 k m ． 水 库 正 常 蓄 水 位 1 5 4 3 ． 0 0 m， 校核 洪水位 1 5 4 4 ． 5 1 m， 死水 位 1 5 0 5 ． 0 0 I n ． 碾压混凝土重力坝最大坝高 1 2 3 m， 建 筑 物级 别为 2级 ． 1 数值计算 永 定桥碾 压 混 凝 土坝 泄 洪 中孔 布 置 在 4 坝 段 中部 ， 宽 3 m， 高 5 m， 取 4 坝段进行泄洪中孔的三维 有限元应力分析计算． 考虑到实际动力分析的复杂 性以及计算结果的实用性和有效性 ， 在此 ， 计算采用 拟静力法 ． 鉴于此 ， 采取 了一些 被实践证 明合理 可行的假设 ， 即： 坝体混凝土和基岩视为分 区各向同 性的均质弹性体． 此次计算按线 弹性理论进行结构 体计算分析 ． 1 ． 1 计算 模型 的建 立 选取 4 坝段进行建模 ， 地基深度取大约 1 ． 5倍 的坝段高度 ， 地基上 、 下游长度分别取大约 1 ． 5倍的 坝段最大宽度， 建模时实际向上游延伸 1 0 0 m， 向下 游延伸 2 0 0 m， 总长为 3 0 0 m ． 坐标系规定为 ： 为顺 河 向， 指 向下游为正； Y为竖直方向， 向上为正； Z为 横河向， 左岸指向右岸为正． 模型的左右边界为水平 方向位移约束 ， 前后边界为竖向位移约束 ， 底面为 3 个方向的约束． 模型前处理采用大 型商业软件 A N - S Y S ， 选取 s o l i d 9 5和 s o l i d 4 5单元 ， 对重点研究 的部 位进行网格加 密． 其 中 4 坝段 计算 区域 总共剖分 8 4 5 2个单元 ， 节点总数为 1 8 4 8 2个． 上部坝体为 自 由变形边界 ． 4 坝 段 和 中孔 有 限元 网格 分 别 如 图 1 和 图 2所示 ． 1 ． 2 计算 工况 及其 荷载 ①工况 1 ： 正常蓄水位泄洪 中孔工作闸门挡水工 况． 上游水位 1 5 4 3 ． 0 m， 下游相应水位为 1 4 4 8 ． 5 m， 泄洪中孔充满水 ； ②工况 2 ： 校核洪水位泄洪中孔工 作闸门挡水工况． 上游水位 1 5 4 4 ． 5 1 m， 下游相应水 位为 1 4 5 3 ． 1 5 m， 泄洪 中孔充满水 ； ③工况 3 ： 正常 蓄水位加上地震荷载 ， 取工作闸门挡水时情况进行 计 算． 收稿 日期 ： 2 0 1 1— 0 8— 2 8 作者 简介 ： 姚帅强( 1 9 8 5 一 ) ， 男 ， 河南 偃师人 ， 硕士研 究生 ， 主要从事水工结构方面的研究 第 3 2卷第 6期 姚帅强， 等： 永定桥碾压混凝土重力坝孔口应力三维有限元分析 4 3 图 1 4 坝段有限元网格 计算荷载有静荷载 、 动荷载和温度荷载． 静荷载 包括 ： ①坝体 自重 ； ②静水压力； ③扬压力； ④中孔金 属结构 自重． 动荷载包括 ： ① 动水压力 ； ②地震惯性 力． 混凝土性能参数见表 1 ． 表 1 混凝土的性能参数 混凝土线膨胀系数取 71 0 ( 1 ／℃) ， 地基参 数选取与混凝 土( C 1 5 ) 的参数相 同， 线膨胀 系数 为 71 0 ( 1 ／ ~ C) ． 地 震设 计烈 度 为 8级 ， 水 平 向设 计 地 震 加 速 度代表值 a =2 0 1 c m ／ s ， 竖 向地震加 速度代 表值 a = 2 a ／ 3 ， 场地设计反应谱特征周期 = 0 ． 4 s ． 实体重力坝一般可不计运行期 的温度作用 ， 故 此次温度荷载计算仅为坝体孔 口部位的应力分析提 供依据． 而由于缺乏试验资料 ， 此次计算采用简化的 稳定温度场 ， 借鉴坝内引水管道周 围混凝土运行期 的温度作用标准值 的确定方法⋯ ， 温降 的取值采用 多年月平均最低气温和坝体多年月平均温度之差值 l 1 ． 4 ． 2 结果分析 1 ) 对于工况 1 ， 泄洪 中孔 z向的正应力较大 ， 底 面全部为拉应力 ， 应力量值从进水 口到检修 门槽沿 下游方向延伸依次增大， 在下游 出口处达到最大值 ， 范围为 0 ． 2 3—3 ． 9 8 MP a ； 顶面下游 出口处 中间有拉 应力集中现象 ， 最大值为 5 ． 8 3 MP a ， 顶面 中部大部 分拉应力范围为 3 ． 2 5— 4 ． 3 4 MP a ． 侧面应力量值为 一 1 ． 0 9— 4 ． 1 6 MP a ， 中间部位为压应力 ， 量值大部分 为 一 0 ． 7 8～ 0 ． 2 1 MP a ， 从中间往上下角点处延伸逐渐 图 2中孔有限元 网格 增加 ， 上下角点处量值 范围约为 2 ． 7 7～3 ． 8 0 MP a ： 其余方向的应力量值较小， 且多为压应力． 应力等值 线可参考图4及图 5 ． 2 ) 对 于工 况 2 ， 泄洪 中孑 L Z 向的正应 力较 大 ， 其 余方 向的正应力和剪应力均不大 ， 在泄洪 中孔进水 口的 4个角点处产生较小范围的拉应力集中． 另外， 在出水 口顶面的中间也产生拉应力集中以及顶面与 检修闸门槽 相连接 的地方也 产生一定 的拉应 力集 中， 最大值为 1 ． 5 7 MP a ， 应力等值线如 图 3所示． 泄 洪 中孔 在 坝 内 部 分 z 向应 力 量 值 很 小， 范 围 为0 ． 2 O一 0 ． 3 6 M P a ． A= — 7 2 2 o o 6 B = - 5 2 5 o o 2 C ．_l l 5O 8 6 ／ 9 =- 2 3 4O 0 7 D= 3 5 8 3 2 9 F = 7 4 9 6 7 3 G=- 9 6 40 2 8 H= 0 ． 1 2 9 E+ 0 7 I = 0 ． 1 5 6 E+ o 7 图 3校 核 洪 水 位 作 用 下 顶 面应 力等 值 线 图 ( 单位 ： MP a) 3 ) 对于工况 3 ， 在地震作用下 ， 泄洪 中孔 的应力 分布规律与工况 1正常蓄水位作用下的分布规律基 本一致， 在数值上略高于工况 1的应力水平． 泄洪中 孔 Z 向的正应 力较 大 ， 其 余 方 向的 正应 力 和 剪 应力 相对 z方 向 的正应 力 均不 大． 其 中 z向正 应力 在 泄 洪 中孔侧 面基 本上 处 于受 压 状 态 ， 底 面 和 顶 面 基本 上表现为受拉状态 ， 底面拉应力量值范 围为 0 ． 1 4～ 4 ． 2 3 MP a ， 应力等值线如图4所示． 顶面下游出水 口 处中间部位有拉应力集中现象 ， 最大值为6 ． 2 0 MP a ， 顶面中部大部分拉应力范围为 3 ． 7 2～ 4 ． 3 8 M P a ． 侧 面应力量值在闸门槽之后的上部出现较小范围的最 大值 ， 中间部位 为压 应力 ， 量值大部分 为 一1 ． 0 2～ 一 0 ． 2 6 MP a ， 从中间往上下角点处延伸逐渐增加， 应 力等值线如图5所示． 华北水利水电学院学报 2 0 1 1年 1 2月 A= 4 6 6o 0 2 辟= 9 2 6 5 7 8 C-- 0 ． 1 3 9 E + 0 7 D= 0 ． 1 8 5 E+ 0 7 E -- - 0 ． 2 3 1 E+ O 7 F = 0 ． 2 7 7 E+ 0 7 G= O ． 3 2 3 E D 7 H--- 0-3 6 9 E+ 0 7 ／ -- 0 ． 4 1 5 E + o 7 ，， x { Z = 一 5 2 9 o o 6 B = 3 0 9 6 6 9 C= 0 ． 1 l 5 E 0 7 D= 0 ． 1 9 9 E+ O 7 E = 0 ． 2 8 3 E+ O 7 F = 0 3 6 6 E+ O 7 G= 0 ． 4 5 O E + o 7 H= 0 ．5 3 4 E “" 1 -- - 0 ．61 8 B卜 0 7 图 4 地震作用下底面应力等值线图{ 单位： MP a } 图 5 地 震作 用下顶面应力等值 线图( 单位 ： MP a } 3 结 语 通过对 永定 桥碾 压混凝 土重力 坝 的三 维有 限元 分析计算 ， 并 与类似工程 比较 ， 可得 出以下结论 和 建议 ． 1 ) 在 工况 1和工况 2下 ， 泄洪 中孔 的上 、 下 底 面 主要 以拉应力为主， 侧面主要 以压应力为主， 对于整 个 坝体 的安全 没有太 大的影 响． 2 ) 对于工况 3 ， 地震作用下的应力略高于另外 2 种工况下的应力水平 ， 泄洪冲孔底 面拉应力量值范 围为 0 ． 1 4～ 4 ． 2 3 MP a ， 顶面下游出水 口处 中间有拉 应力集中， 最大值为 6 ． 2 0 MP a ， 顶面 中部大部分拉 应力范 围在 3 ． 7 2— 4 ． 3 8 MP a ， 可采取放缓坡度 ， 提 高混凝土标号， 增加配筋等措施加以解决． 3 ) 应用 A N S Y S进行三维有限元计算较好地反 映了中孑 L 的应力分布情况． 拟静力法具有计算简单、 工作量小 、 参数易于确定等优点 ， 并能在一定程度上 反 映荷 载的动 力特性 ． 参 考 文 献 [ 1 ]朱伯芳 ． 有限单元 法原 理与应用 [ M] ． 2版． 北京 ： 中 国 水利水 电出版社 ， 1 9 8 0 ． 罗业辉 ， 赵海涛 ， 邓仕涛 ， 等． 应用 A N S Y S软件进行碾 压 混凝土重力坝非线性有 限元静力 和动力分 析 [ J ] ． 西北 水 电， 2 0 0 5 ( 2 ) ： 1 8— 2 2 ． 黄劲松 ， 潘燕芳 ， 闫慧 玉． 大朝 山碾压混凝 土重 力坝静 、 动力有 限元计算分析 [ J ] ． 武汉大学 学报 ： 工学 版 ， 2 0 0 3 ( 1 2)： 2 2—2 6 ． 宫经纬 ， 严新军 ， 夏新 利 ， 等． 拟静力法 在溢洪 道 闸室抗 震稳 定 计 算 中 的应 用 [ J ] ． 人 民黄 河 ， 2 0 1 0( 1 ) ： 1 0 7 — 1 08． 朱双林 ， 常晓林 ． 拱坝坝 体及孔 口应 力有 限元 仿真 分析 [ J ] ． 水科学与工程技术 ， 2 0 0 5 ( 1 ) ： 9—1 2 ． 彭宜茂 ， 傅作新 ， 钱 向东． 三峡泄洪坝段孔 口配筋方案空 间弹塑性分析 [ J ] ． 人民长江 ， 2 0 0 1 ( 4 ) ： 9—1 1 ． 国家 电力公司华东勘测设 计研究 院． D L 5 1 0 8 -- 1 9 9 9混 凝土重 力 坝设 计 规 范 [ s ] ． 北 京 ： 中 国水 利 水 电 出版 社 ， 1 9 9 9 ． 电力工业部 中南勘测设计 研究院． D L 5 0 7 7 --1 9 9 7水工 建筑物 荷 载设 计 规 范 [ S ] ． 北 京 ： 中 国水 利 水 电 出版 社 ， 1 9 9 7 ． 中国水利水 电科学研究 院． D L 5 0 7 3 --2 0 0 0水工建 筑物 抗震设计规范 [ S ] ． 北京 ： 中国水利水 电出版社 ， 1 9 9 7 ． Thr e e - d i me ns i o na l Fi ni t e El e me n t An a l y s i s o n Ou t l e t St r e s s o f t he Ro l l e r Co m p a c t e d Co n c r e t e Gr a v i t y Da m i n Yo n g di n g Br i dg e YAO Sh u a i - q i a n g ，L U Ya o ，T I AN Hu a ． x i a ng ( 1 No r t h C h i n a I n s t i t u t e o f Wa t e r C o n s e r v a n c y a n d Hy d r o e l e c t r i c P o we r ，Z h e n g z h o u 4 5 0 0 1 1 ，Ch i n a ； 2 ． Y e l l o w R i v e r E n g i n e e r i n g C o n s u l t i n g C o ．L t d ， Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 3 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：ANS YS s o f t w a r e i s a p p l i e d t O c a r r y o u t p s e u t o - s t a t i c c a l c u l a t i o n o f 4 d a m s e c t i o n o f r o l l e r c o mp a c t e d c o n c r e t e g r a v i t y d a m i n Yo ng d i ng b r i d g e ．Th e s t r e s s d i s t r i bu t i o n o f flo o d di s c ha r g e mi d d l e o u t l e t u n d e r t h e wo r k i n g c o n d i t i o ns o f n o r ma l wa t e r l e v e l a nd c he c k flo o d l e v e l i s a n a l y z e d，e s p e s i a l l y t h a t un d e r e a rth q ua k e a c t i o n．Th e r e s u l t s s h o w t ha t t he s t r e s s di s t r i b ut i o n un d e r e a rthq u a k e a c t i o n i s t h e s a me a s t h a t u n de r n o r ma l wa t e r l e v e l ，a n d t he s t r e s s i s s l i g h t l y l a r g e r ．Thi s c a n pr o v i d e t he b a s i s f o r r e i n f o r c e me nt a n d s t r uc t u r a l o p t i mi z a t i o n． Ke y wor ds：g r a v i t y d a m；ps e u do - s t a t i c；flo o d di s c ha r g e mi d dl e o u t l e t ；n o rm a l wa t e r l e v e l ；e a r t h qu a k e a c t i o n ( 责任编辑 ： 乔翠平J 1 J 1J 1j 1j 1 j 1 J 2 3 4 5 6 7 8 9 I竺．