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面板堆石坝坝体结构分区优化及非线性数值分析

作　者: 毛渐
导　师: 王正中
学　校: 西北农林科技大学
专　业: 水利水电工程
关键词: 混凝土面板堆石坝区间优化方法坝体分区优化三维非线性分析 ANSYS
分类号: TV641.43
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

混凝土面板堆石坝作为土石坝和水工结构的重要坝型之一,在最近40年时间内得到了飞速发展,常常因其安全性好、体积小、施工快捷、造价低等优点受到国内外坝工界的关注和重视,成为目前具有很强竞争力和发展前景的坝型。虽然该坝型积累的设计经验较多,但从总体上来看,理论研究、数值计算方法等方面仍处于不成熟、不完善的阶段。传统的设计方法缺乏安全经济性衡量标准,已经不能适应现代面板坝的发展要求,而最优化设计在明确追求经济和安全的前提下,实现分析计算自动化,设计效率和质量都有显著提升。从我国近期面板坝的发展来看,主要特点和问题表现在:一是坝体高度在不断增加,筑坝材料要求提高,料源供需与投资成本大幅增加;二是地质、地形条件日趋复杂,坝体变形等问题较低坝有很大不同。所以,高坝的应力变形非线性分析必须重视。对于这些现存问题,本文主要研究内容如下:(1)基于工程结构优化设计理论,应用区间优化方法以及非线性有限元分析手段,考虑堆石料非线性等特点,采用邓肯张E-B模型,并充分模拟大坝分级碾压的施工过程和蓄水过程。对面板坝实际工程断面进行了分区优化,在体形尺寸、堆石用料、坝体变形等方面都得到了较好的综合优化效果。(2)按照面板堆石坝常用的本构模型和应力应变分析理论,对扎毛水库面板堆石坝进行了平面与三维非线性静力分析。重点研究了三维非线性有限元模型建立和分析过程,验证和完善了平面分析过程不能反映的一些坝体应力变形特征。对坝体结构静力计算成果进行了较为深入的比较分析,对原设计方案、分区合理性及其对坝体应力应变影响作了相关评价。(3)通过拟静力法对该面板坝进行了三维非线性动力分析,得出了坝体和面板等结构的动力效应结果,分析总结了面板和坝体动位移、动应力情况,提出了一些施工建议。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第一章绪论  10-16
  1.1 研究意义及目的  10
  1.2 国内外面板堆石坝发展历程及特点  10-12
    1.2.1 面板堆石坝的发展历程  10-11
    1.2.2 面板堆石坝的特点  11-12
  1.3 国内外面板堆石坝设计发展研究现状  12-14
  1.4 存在的问题  14-16
第二章面板堆石坝应力变形分析的影响因素  16-21
  2.1 堆石体自重和填筑标准的影响  16
  2.2 堆石料的工程特性的影响  16-18
    2.2.1 堆石料抗剪强度  16
    2.2.2 堆石料的变形特性  16-17
    2.2.3 浸水变形特性  17
    2.2.4 流变特性  17-18
  2.3 分区特点的影响  18-20
  2.4 本章小结  20-21
第三章面板坝应力变形计算的本构模型  21-25
  3.1 非线性弹性模型  21-23
  3.2 弹塑性模型  23-24
  3.3 本章小结  24-25
第四章面板堆石坝应力变形计算分析理论  25-36
  4.1 静力应力变形分析及预测  25-29
    4.1.1 堆石材料的应力应变性质  25
    4.1.2 接触面力学性质  25-26
    4.1.3 缝单元  26-27
    4.1.4 加卸荷判据和强度条件  27-28
    4.1.5 面板堆石坝逐级加载过程模拟  28-29
  4.2 动力应力变形分析及预测  29-32
    4.2.1 拟静力法抗震稳定计算  29-31
    4.2.2 有限元法动力应力变形分析简介  31-32
  4.3 ANSYS 简介及E-B 模型有限元实现  32-35
    4.3.1 ANSYS 简介  32
    4.3.2 邓肯张E-B 模型的有限元实现  32-35
  4.4 本章小结  35-36
第五章混凝土面板堆石坝坝体分区优化研究  36-45
  5.1 分区优化理论描述  36
  5.2 混凝土面板堆石坝断面优化设计的数学模型  36-40
    5.2.1 优化设计数学模型一般表达式  36-37
    5.2.2 设计变量  37-38
    5.2.3 目标函数  38
    5.2.4 约束条件  38-40
  5.3 算例分析  40-42
    5.3.1 工程资料  40
    5.3.2 优化模型的建立  40-41
    5.3.3 计算工况及荷载  41
    5.3.4 断面区间优化设计  41-42
  5.4 优化结果分析  42-43
  5.5 本章小结  43-45
第六章扎毛水库面板堆石坝非线性数值分析  45-68
  6.1 工程概况  45
  6.2 计算参数与工况  45-50
    6.2.1 计算材料参数  45-46
    6.2.2 接触面与网格生成  46-50
  6.3 约束及荷载施加  50
  6.4 计算结果  50-67
    6.4.1 竣工期面板坝应力及位移  50-56
    6.4.2 蓄水期面板坝应力及位移  56-62
    6.4.3 地震工况面板坝应力及位移  62-66
    6.4.4 成果分析  66-67
  6.5 本章小结  67-68
第七章结论与展望  68-70
  7.1 结论  68
  7.2 展望  68-70
参考文献  70-73
致谢  73-74
作者简介  74

面板堆石坝坝体结构分区优化及非线性数值分析

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