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拱坝受力影响因素的敏感性分析

作　者: 王锋
导　师: 苏志敏; 童保林
学　校: 昆明理工大学
专　业: 水利工程
关键词: 拱坝敏感性分析网格划分温度荷载材料属性
分类号: TV642.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 2次
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内容摘要

拱坝是一种安全、经济的坝型,在我国水利水电建设中应用越来越多。近年来,随着西部水电事业的起步,一大批特高拱坝得以修建,如：小湾、溪洛渡、锦屏一级等,水利学术界对拱坝安全性的计算要求越来越高。拱坝的结构稳定计算包含诸许多方面,其中一个重要方面就是分析不同的工程因素如何影响拱坝的坝体应力状况,即拱坝的敏感性分析。敏感性分析在理解不同结构参数和材料参数对坝体产生的影响方面有着重要作用。主要表现在对拱坝运行期进行缺陷诊断方面有着很重要的作用。然而,在实际工程中,敏感性分析往往被忽略。敏感性分析的结果在实际工程中常常不被作为参考依据。拱坝是一个变厚度、变曲率而且边界条件又很复杂的空间壳体结构,因此拱坝的受力情况很复杂。当拱坝的坝体或坝基出现裂缝时,我们往往要考虑很多复杂因素,做大量的现场调查和实验室测试。这些调查和测试的费用占到拱坝的维护成本的一大部分。基于此,可以先对拱坝进行敏感性分析,从众多不确定因素中确定对坝体影响最大的因素,缩小测试的范围,再结合传统的调查实验方法进行分析。这样,不但能减少预算花费,还提高了工作效率。本文以有限元软件ANSYS10.0为平台,运用APDL参数化建模,从网格敏感性、荷载敏感性和材料敏感性三个方面对某拱坝进行了敏感性分析。在网格敏感性方面,对小孔应力集中的例子进行计算,把有限元解与解析解进行了对比,然后将网格划分理论推广到拱坝,得出了拱坝网格敏感性的相应结果,再运用建立的拱坝模型2对上述结果进行验证；在荷载敏感性方面,使用ANSYS的热--结构直接耦合法,分析对比了瞬态温度荷载和瞬态库水压力对拱坝的应力、位移造成的影响；在材料敏感性方面,分析了坝体与坝基的材料属性对拱坝应力状态造成的影响,分析了坝基不同离散区域网格单元对计算结果的影响,并对结果进行比较分析。分析结果表明：拱坝坝体的有限元网格节点数达到220个/1000m3时,就能得到基本稳定的计算结果；拱坝应力状态对温度荷载的敏感性比对库水压力的敏感性要高；坝基材料属性要比坝体材料属性对拱坝应力状态的影响更大。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第一章绪论  8-17
  1.1 拱坝的工作原理和结构特点  8-9
  1.2 我国拱坝建设的现状  9-11
  1.3 拱坝的应力分析方法  11-14
    1.3.1 拱坝结构应力计算方法  11-13
    1.3.2 拱坝温度应力计算方法  13-14
  1.4 拱坝敏感性研究的现状与意义  14-15
    1.4.1 拱坝敏感性研究的现状  14-15
    1.4.2 拱坝敏感性研究的意义  15
  1.5 本文研究的主要内容  15-16
  1.6 本章小结  16-17
第二章敏感性分析方法  17-20
  2.1 敏感性分析简介  17
  2.2 敏感性分析的公式  17
  2.3 敏感性分析的规律  17-18
  2.4 敏感性分析的作用  18
  2.5 敏感性分析的步骤  18-19
  2.6 敏感性分析法的优缺点  19
  2.7 本章小结  19-20
第三章有限元分析的精度与误差  20-28
  3.1 有限元离散误差理论  20-21
  3.2 有限元分析数值解的精度与性质  21-23
    3.2.1 求解精度的估计  21-22
    3.2.2 有限元分析结果的下限性质  22-23
  3.3 单元应力计算结果的误差与平均处理  23-26
    3.3.1 应力结果的误差性质  23-25
    3.3.2 Gauss积分点上的应力精度  25
    3.3.3 共用节点上应力的平均处理  25-26
  3.4 控制误差和提高精度的h方法和p方法  26-27
  3.5 本章小结  27-28
第四章混凝土拱坝温度场的有限元计算  28-36
  4.1 热传导原理  28-30
  4.2 混凝土温度场的初始条件和边界条件  30-32
    4.2.1 初始条件的确定  30
    4.2.2 边界条件  30-32
  4.3 拱坝温度场计算的有限元方法  32-35
    4.3.1 稳态温度场的有限元解法  32-33
    4.3.2 瞬态温度场的有限元解法  33-35
  4.4 本章小结  35-36
第五章网格敏感性分析  36-50
  5.1 圆孔应力集中小算例  36-44
    5.1.1 圆孔应力集中应力场与位移场  36-39
    5.1.2 网格密度对比分析  39-40
    5.1.3 约束、应力加载位置对比分析  40-42
    5.1.4 不同形状网格对比分析  42-43
    5.1.5 划分方法推广到拱坝  43-44
  5.2 拱坝网格敏感性分析  44-49
    5.2.1 拱坝模型1计算  44-47
    5.2.3 拱坝模型2验证  47-49
  5.3 本章小结  49-50
第六章荷载敏感性分析  50-76
  6.1 拱坝所受荷载计算简介  50-54
  6.2 稳态的温度荷载和库水压力对拱坝的敏感性分析  54-57
    6.2.1 温度变化对拱坝受力状态的影响  54-55
    6.2.2 水位变化对拱坝受力状态的影响  55
    6.2.3 温度变化与水位变化对拱坝受力状态影响程度的对比  55-57
  6.3 瞬态的温度荷载和库水压力对拱坝的敏感性分析  57-75
    6.3.1 瞬态荷载施加  57-60
    6.3.2 两种瞬态荷载对拱坝的影响对比  60-75
      6.3.2.1 各月结算结果  61-73
      6.3.2.2 计算结果分析  73-75
  6.4 本章小结  75-76
第七章材料敏感性分析  76-84
  7.1 拱坝与坝基主要材料参数简介  76-77
    7.1.1 弹性模量(Elastic Modulus)  76
    7.1.2 泊松比(Poisson's Ratio)  76-77
    7.1.3 重力密度(Gravity Density)  77
    7.1.4 内摩擦角(Internal Friction Angle)  77
    7.1.5 材料参数取值  77
  7.2 拱坝材料敏感性分析过程  77-78
  7.3 计算结果  78-81
    7.3.1 拱坝对坝体与坝基弹性模量敏感性分析  78-79
    7.3.2 坝体与坝基泊松比敏感性分析  79-80
    7.3.3 坝体与坝基重力密度敏感性分析  80-81
  7.4 坝基离散区域单元敏感性分析  81-83
  7.5 得出的结论  83-84
第八章结论及展望  84-87
  8.1 主要工作  84-85
  8.2 结论  85
  8.3 展望  85-87
参考文献  87-90
致谢  90-91
附录硕士期间发表的论文  91

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