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温度、地震荷载作用下拱坝动力响应的理论分析和数值模拟

作　者: 王勇
导　师: 程赫明
学　校: 昆明理工大学
专　业: 工程力学
关键词: 拱坝温度场应力地震动力分析
分类号: TV312
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

我国水能资源十分丰富,理论蕴藏量约为6.67亿KW,根据最新调查结果,可开发容量可达5.29亿KW,均居世界首位,开发程度不足20%。我国水能资源的80%集中于西部,特别是西南地区。但是该区坝址都由强烈区域性地质构造形成,西部水电开发难以避让高地震区。地震作用和高拱坝结构地震反应都十分复杂。迄今,国内外在强地震区修建高拱坝的工程实践经验很少,更无经受过强震考验的事例。而其一旦遭受震害失事,次生灾害后果将十分严重。高坝大库抗震安全必须谨慎对待,面对缺乏先例的新的问题和挑战,需建立大坝抗震的创新理念。本文详细阐述了大体积混凝土非稳定温度场、应力场的有限元仿真计算理论和方法,结合这些理论和方法,借助大型有限元软件,利用生死单元实现了拱坝施工期的层层浇筑动态过程的非稳定温度场的数值模拟,通过顺序耦合热应力分析得出相应的温度应力场。由计算的结果可知,拱坝在施工期阶段,坝体内温度由水泥水化热长生的热量短期内急速升高,随着混凝土龄期的增长,内部温度逐渐扩散到外部,并在最后达到一个稳定的温度场。数值模拟的温度应力场的结果表明,由温度荷载引起的拉应力对拱坝有一定的影响,但尚处于可控制范围之内。同时,本文还通过研究结构动力分析和拱坝抗震理论分析,建立模型,对拱坝进行了模态分析,由计算结果可知,空库要比满库时的频率大。利用有限元方法历程分析法重点研究了在温度荷载、地震荷载作用下的拱坝动力响应。计算结果表明,拱坝在温度荷载、地震荷载作用下的动力计算结果要比只有温度荷载时的静力计算结果大,而且在动力计算时拱坝的拉压应力区和静力计算时的拉压应力区没有直接的关系,甚至静力计算时的拉应力区在动力计算时会变成压应力区。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-7
目录  7-10
第一章绪论  10-22
  1.1 拱坝的发展  10-11
  1.2 拱坝的分类  11-15
    1.2.1 按坝高分类  12
    1.2.2 按坝面曲率分类  12
    1.2.3 按河谷宽度和形状分类  12-13
    1.2.4 按厚高比分类  13
    1.2.5 按建筑物等级分类  13-15
  1.3 拱坝的特点和论文的研究意义  15-16
    1.3.1 拱坝的特点  15
    1.3.2 论文研究的意义  15-16
  1.4 目前国内外的研究现状  16-19
    1.4.1 拱坝温度场研究现状  16-17
    1.4.2 拱坝抗震研究现状  17-19
  1.5 课题研究内容及创新点  19-20
  1.6 本章小结  20-22
第二章拱坝施工期温度场温度应力分析  22-34
  2.1 热传导方程及边界条件  22-26
    2.1.1 热传导方程  22-24
    2.1.2 边界条件及近似处理  24-26
  2.2 水泥水化热  26-27
  2.3 混凝土的初始温度  27-28
    2.3.1 混凝土的拌和后温度  27
    2.3.2 混凝土的入仓温度  27
    2.3.3 混凝土的浇筑温度  27-28
  2.4 混凝土温度场的有限元解法  28-34
    2.4.1 理论解法  28-29
    2.4.2 差分解法  29
    2.4.3 有限元解法  29-34
第三章 ABAQUS软件模拟工程实例分析  34-54
  3.1 ABAQUS分析功能介绍  34-35
  3.2 ABAQUS中的热传导和热应力分析  35-39
    3.2.1 热传导分析  35-39
    3.2.2 热应力分析  39
  3.3 工程简介  39-40
  3.4 拟定材料参数  40-42
  3.5 拟定温度参数  42-43
  3.6 施工期的模拟仿真实现原理和方法  43-46
    3.6.1 建模思想  43
    3.6.2 施工期模拟及边界条件  43-44
    3.6.3 有限元模型建立  44-46
  3.7 温度场计算及结果分析  46-50
    3.7.1 温度场计算结果  46-48
    3.7.2 温度场结果分析  48-50
  3.8 温度应力计算结果分析  50-54
    3.8.1 温度应力计算结果  50-51
    3.8.2 温度应力结果分析  51-54
第四章拱坝抗震动力分析的有限元法  54-64
  4.1 拱坝抗震动力分析概述  54
  4.2 拱坝抗震动力基本方程  54-56
  4.3 拱坝结构自振频率和振型计算  56-57
  4.4 拱坝抗震动力分析的有限元方法  57-64
    4.4.1 振型叠加法  58-60
    4.4.2 历程积分法  60-62
    4.4.3 Wilson-θ法  62-64
第五章地震荷载作用下的工程实例分析  64-78
  5.1 工程介绍及参数条件  64-65
  5.2 有限元模型  65
  5.3 拱坝的动力分析  65-78
    5.3.1 模态分析  65-69
    5.3.2 历程分析  69-78
第六章总结与展望  78-80
  6.1 总结  78-79
  6.2 下一步工作的展望  79-80
致谢  80-82
参考文献  82-88
附录A:攻读学位期间发表论文目录  88

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