钱令希

更新时间:2023-04-19 13:45:38 阅读：评论：0

青史-公司年会获奖感言

2023年4月19日发(作者：本体论)用三种方法(程序)进行某拱坝的计算分析

罗军;张旭辉

【摘要】分别采用拱冠梁法、GADAP法、ANSYS有限元法等3种力学分析方法,
进行了某拱坝结构应力稳定计算,对该3种方法的原理、程序使用、参数输入方式、
工况设定及成果后处理等分别进行了比较详细的总结,尤其强调了程序实用的一些
技巧,有助于读者进行拱坝结构计算分析时选用、参考、对照.

【期刊名称】《广东水利水电》

【年(卷),期】2010(000)009

【总页数】7页(P7-13)

【关键词】拱冠梁法;GADAP法;ANSYS有天津最低工资标准限元法;拱坝;结构计算

【作者】罗军;张旭辉

【作者单位】广东省水利水电科学研究院,广东,广州,510610;广东省水利水电科学
研究院,广东,广州,510610

【正文语种】中文

【中图分类】TV314

前言
拱坝因体型优美、力学性能优良、性价比较高,而受到水利工程界的推崇,在地形、
地质适合之处,工程师们总是优先考虑拱坝坝型。
但拱坝结构分析,相对重力坝而言,还是有相当技巧与难度的。笔者在对粤北某水电

站拱坝进行设计复核与安全鉴定时,采用了当前比较常用的 3种力学分析方法(程序)
进行几点的英文计算。该 3种程序分别是:水利水电通用程序 PC1500集的《考虑扭转作用的
拱冠梁法程序》;北京勘测设计研究院陈正作教授所编写的《拱坝通用程序
GADAP 28》;ANSYS三维有限元结构计算程序。
必须指出,上述不同程序由于对应不同的原理编制,边界约束条件、力学计算模型都
有不同,对应的材料力学参数的选取,除了主要根据现场勘探资料、不同规范和工程
类比外,也适应不同程序的应用经验和程序自带的一些参数推荐值。也就是说,本工
程实例的材料参数,在不同程序里,其取值略有不同。本文目的更多是着重于通过工
程实例数据来介绍程序的基本原理和使用方法,对其他工程实例,工程师们可根据对
具体工程的材料参数判断经验和对程序应用熟练程度和把握的水平,自行调整、参
照取值。
1 工程概况
该水电站位于广东省翁源县山区,挡水建筑物为砼砌大块石重力拱坝。坝址区属低
山地貌,河谷深切,岸坡较陡;坝址处河床狭窄呈“V”型,两岸地形较对称,水库正常高
水位以下的河谷宽高比L/H=50/22=2.3。坝址岩体为微风化石英砂岩;河床下伏基
岩为微风化带石英砂岩,岩体较完整～完整,岩体类别为Ⅲ类。
大坝平面和拱冠梁截面分别见图1和图 2。
图1 拱坝平面示意(单位:mm)
坝顶无闸控制,采用全断面泄流的方式,泄流宽度为 50m,堰型为实用堰。堰顶高程
(正常水位)为415.40m,建基面高程为 395.25m,最大坝高为 22.0m。建基面坝底
(忽略坝后垫层)厚为11.3m,厚高比为T/H =11.3/20.15=0.56＞0.35,为单曲厚拱
坝。拱坝坝顶外半径R=28.5m,最大中心角2=98。
2 拱坝计算控制指标
图2 拱冠梁截面示意(单位:高程m;长度mm)

由《混凝土拱坝设计规范》(SL282-2003)和《砌石坝设计规范》(SL25-2006)相
关规定,参考《浆砌石坝设计规范》(SL25-91)浆砌石的材料冬奥会徽弹模,由本坝坝体材料
为 C15砼镶块石,考虑为介于砼和浆砌石之间的一种材料,本工程坝体应力要求符合
下列应力控制指标规定:容许压应力[]=8.5/3.5=2.43MPa;对于基本荷载组合拉应
力不得大于1.2MPa。
3 水利水电通用程序 PC1500集的《考虑扭转作用的拱冠梁法程序》计算
程序根据钱令希所创《考虑扭转作用的拱冠梁法和多拱梁法》的原理编制,可供中、
小型拱坝工程的初步设计工作参考。
程序同时考虑了径向调整和扭转调整的计算,其实质是将拱坝划分为若干水平拱圈,
设想拱坝在外力作用下,拱冠梁上任一点产生变位就必然要求拱圈上的相应点也产
生大小相等方向相同的变位[1]。
该程序界面输入相对简单,主要是用填表形式输入各计算参数。
3.1 参数输入
3.1.1 几何建模
根森林景色据本坝体型基本情况和程序要求,按高度对拱圈剖分 8层。由拱坝平面、剖面建
立的拱坝各拱圈剖面图,绘制如图 3计算所用断面图。坝身拱冠梁剖分为 7块,对于
V形河谷,由于基础变形采用延长坝高法,延长的第 8块为虚拟。
体型基本参数输入如表 1所示。
3.1.2 材料参数及荷载工况
图3 计算断面(高程单位:m)
根据本坝实际情况,只进行正常蓄水位(水位高程为415.4m)考虑温降影响工况的计
算。各材料参数及荷载水位工况,见表 2。
表1 拱坝体型基本参数?
表2 材料参数变量?

3.2 计算成果及分析
在正常蓄水位(水位高程为415.4m)和考虑温降影响工况,本拱坝应力、位移及内力
成果,列于表 3、表4。
表3 应力、变形计算成果(应力以压为正;位移以向下游为正)?
表4 拱座作用力成果综合?
由表3、表4可知,最大压应力位于412m高程拱座下游面,为3.40MPa＜
4.06MPa;最大拉应力位于409m高程拱座处上游面位置,为1.09MPa,小于
1.2MPa,都满足规范规定的按照拱冠梁法计算应力控制指标。拱冠梁径向变位最大
为 0.32cm。分析结果可知,该拱坝应力尤其拱方向应力主要受温度荷载控制。
4 《拱坝通用程序GADAP》软件计算
《拱坝通用程序GADAP》软件是原北京勘测设计研究院陈正作教授编写,在国内
的应用很广泛。经过近30年的发展,目前GADAP的用户已经遍及全国 10多个省,
软件本身也已经由一个单纯的核心程序,发展成为一个大型的软件系统。其力学原
理基础是拱坝试荷载法,具体算法采用内力平衡分载法:采用四向调整,第四向垂直扭
转计算采用 2m方法,梁的切法用垦务局建议的扭曲梁切法[3]。卡通头像女
本次计算采用的 GADAP28版程序[2],是原有GADAP程序的升级版。它增设了
W INDOWS的中文版程序、荷载前处理,以及计算成果后处理专用程序,使得程序
具有将计算成果图形化输一般古琴的琴面为出的功能。
4.1 参数输入
4.1.1 几何建模
根据本坝体型基本情况和计算程序要求,将本坝按高度分成8层拱圈,左右各设11
条梁(程序输入取值N =8,B=3),如图4所示。
图4 拱坝计算梁拱网格剖分
拱坝体型基本参数输入如表 5所示。

表5 体型基本参数?
4.1.2 荷载及材料基本参数取值
1)自重:C15砼块石浆砌石容重。根据勘探资料和相关规范取为2.5t/m3;该取值偏
大,但经缩小取值、演算反映容重参数对计算结果数据影响甚阿胶的吃法微,本文计算仍取
2.5t/m3作为容重取值。
2)弹模:坝体弹模按块石浆砌石材料,由《砌石坝设计规范》(SL252-2006)附录中材
料弹模特性,综合其他类工程,类比取为12.5GPa;基岩与坝体弹模比为0.58(左右岸、
各拱圈层统一取值),地基按VGOT边界条件处理(伏格特系数由程序自动形成)。
3)材料热学性能:块石材料为石英页岩,线胀系数取0.000 011(/℃)。
4)静水压力:分正常蓄水位、设计洪水位、死水位、校核洪水位多种工况;设计、校
核洪水位情况下考虑了下游水压力。
5)温度荷载:大坝施工期是 12月～次年 3月,温度计算采用规范方法,按照业主提供
的当地月平均气温(1～12月)列于表 6。
表6 当地月平均温度(℃)?
由本工程所在区域(粤北)设定为炎热地区考虑(程序把国内分为严寒、寒冷、一般、
炎热 4个地区考虑),计算出的库底温度为11.0℃;按稳定温度场封拱灌浆(实际上本
坝为不设分缝,通仓分层浇筑施工而成)。
6)扬压力(按大坝没有进行帷幕灌浆、没有设置排水孔考虑,由程序自行处理计算)。
7)泥沙压力,浮容重为7kN/m3,本坝新建成不久,上游植被完整,为减少过多假设带
来的误差,再考虑到大坝设有冲砂闸因素,本次鉴定计算建模时,对泥沙压力工况予以
忽略。淤沙高程取在建基面,未计算。
8)不考虑动水压力、地震荷载。
4.2 计算结构助词工况
参照《混凝土拱坝设计规范》(SL282-2003),分别取正常蓄水位温降、正常蓄水位

温升、设计洪水位温升、死水位温升、校核洪水位温升情况等 5种荷载组合。
其中典型工况为正常蓄水位温降情况,即:自重+静水压力 +温降 +扬压力(上游正常
蓄水位为415.40m,此时下游无水)。
4.3 计算成果及分析
GADAP程序的拱、梁荷载变位的正定系方向、正负值与其他程序相比,稍有其自
定规则,可查阅其使用手册。
由GADAP软件自带后处理程序,列出其中典型工况“正常蓄水位温降”的拱坝下
游面应力数值成果如表7、主应力矢量图如图 5;另外选取给出第 0号梁(拱冠梁)及
拱的变位、内力、荷载如表8和表9。
表7 正常蓄水位温降工况—下游面应力(每层的上、下排数值分别为第1、3主应
力,单位:0.1MPa)?
最大压应力:7.76(0.1MPa)
最大拉应力:-4.35(0.1MPa)
图5 正常蓄水位温降工况下游面应力矢量示意(最大压应力=0.78MPa)
表8 梁变位及拱荷载(0号梁,正常蓄水位温降工况)?
表9 梁截面内力及拱截面内力(0号梁,正常蓄水位温降工况)?
由表 7、表 8、表 9、图 5以及其他工况的计算成果,分析得出本坝结构计算成果
结论如下:
1)最大拉应力为-1.03MPa,为“正常蓄水位的温降工况”,位于顶拱拱端的上游面,
未超出规范规定的按照拱梁分载法计算拉应力控制指标-1.2MPa。
2)“正常蓄水位温降工况”下,该拱坝应力分布有相当大的拉应力分布区域(其中顶
拱拱端拉应力最大为-1.03MPa);409m高程以上的上、下游主应力都为拉应力,在-
0.12～-1.03MPa之间;409m高程以下的上游面主应力为拉应力,下游面则受压应
力控制。对应的“正常蓄水位温升工况”下,拉应力主要分布在 399m高程以下的

上游面,最大拉应力在拱冠梁根部上游,大坝总体受压,反映本拱坝的温度作用相当明
显,但坝体下部还是主要受水头荷载影响。
3)“正常蓄水位温降工况”下,坝顶拱冠梁处最大径向变位为2.24cm。该工况下的
其他内力(弯矩、轴向力、剪力等)、变位、荷载都在常规拱坝计算的正常范围内。
5 有限元法的拱坝应力计算
5.1 程序简介
按SL282-2003混凝土拱坝设计规范,有限元法计算分析已被设定为拱坝结构计算
的一种,其成果可直接用作拱坝设计与鉴定分析。随着大型通用商业有限元工程结
构软件的飞速发展,水利行业已大量应用有限元技术进行结构分析,尤其是在大体积
砼水工建筑的结构应力分析方面,有限元软件得到广泛的应用。ANSYS有限元软件
就是其中的佼佼者。
ANSYS应用于结构计算分析,主要有3个步骤:前处理、求解、后处理 3个过程。
5.2 前处理
前处理主要用于建模、输入计算参数。
对于该拱坝,其有限元模型见抗皱图 6。
图6 拱坝有限元计算模型
计算域范围:坝底基岩取坝高 1.5倍,左右岸取坝长1.5倍,上下游基岩取坝长1.5倍,
坝顶上部的基岩则取坝顶处坝肩宽度的1.5倍。采用实体单元Solid45建模,坝体
单元个数为 13 372个,节点数为 14 076个。
由于本坝的设计和勘探及施工资料都缺乏,相关材料参数主要是根据钻探抽芯的部
分试验成果、参考临近类似工程类比,以及查阅相应规程规范而得。本坝为大块石
浆砌石砼,从钻探揭示来看,坝体内的浆砌石与砼较完整的混为一体,故将本坝的大块
石浆砌石砼部分按C15砼取值。
按材料分区,坝体材料分别为砼C15和砼C20。其中砼C15:弹性模量E=22.0GPa,

泊松比=0.2,密度=2 500kg/m3,热膨胀系数=110-5℃-1,抗拉强度标准值
为1.27MPa,抗压强度标准值为14.2MPa。砼C20:弹性模量E=25.5GPa,泊松比
=0.2,密度= 2 500kg/m3,热膨胀系数 =110-5℃-1,抗拉强度标准值为
1.54MPa,抗压强度标准值为18.5MPa。
坝基基岩为石英砂岩,按相近工程类似基岩情况类比,取基岩材料参数为:弹性模量
E=13.2GPa,泊松比=0.2,密度=2 600kg/m3,热膨胀系数=7.5 10-6℃-1。
5.3 求解(约束及荷载施加)
边界条件约束:底部基岩面、上下游基岩面、左右岸基岩面均施加对应的法向约束。
由于该水库等级较低,分析时只考虑自重、库水水压力和温度的升降荷载。其中:自
重荷载仅施加于坝体和坝垫座,不考虑基岩自重;静水压力施加在坝体上游面及上游
库区内的基岩表面和库底;设计水位:上游为415.4m;死水位:上游为 408m。温度荷
载的取值按如下考虑:
由于缺乏施工资料和当地气温资料,仅知当地最低气温的一月份平均气温为 11℃,最
高气温的 7月份平均温度为 28.9℃。据了解,本坝于冬季施工,次年 4月即建成,因
此采用 12月和 1～3月的平均温度作为该拱坝的初始温度。结合附近另一电站的
气温资料正弦曲线拟合公式作为本电站的气温假定基础。
T=19.1+9.4sin[2(+255.5)/365]
由 1月份平均温度平移、推断,本电站的大坝初始温度为 12.64℃,最大温降为
1.64℃,最大温升为16.26℃。
计算时,仅考虑坝体及坝垫座的温度荷载,不考虑基岩温度荷载。
取基本工况进行分析计算。主要有设计水位 +不考虑温度;设计水位+温升及设计
水位+温降等。
5.4 有限元成果分析
ANSYS的成果后处理功能强大,可以提交任何断面(切片)的任何一个方向的应力或

位移的计算成果,包括云图、矢量图、等值线图等等;并且能通过后处理操作,取出表
面关键结点的有限元应力,线性化转化为等效应力,从而与《混凝土拱坝设计规范》
的应力控制指标进行对比;也能给出拉应力区域范围,有助于分析拱坝整体受力情况。
例如,表 10给出的是有限元计算的自重 +设计水位+温降工况的上、下游面垂向位
移成果处理后的数据。
图7给出的是有限元计算的自重 +设计水位+温降工况的中心横剖面主压应力云图
(单位为Pa)。
图7 自重+设计水位+温降工况的中心横剖面主压应力分布规律云图
经对各种工况下的拱坝应力和位移分析,包括调整材料参数、温度荷载的敏感性分
析,用有限元方法计算该拱坝得到如下的主要结论:
1)大坝强度满足要求;
2)坝顶部 1/4以上区域的坝肩处总体为拉应力,反映本坝由于处于 U型河谷,总体属
于重力型拱坝,在自重作用下,大坝在此区域范围,存在向河中心的作用力,拱向荷载不
能完全传向基岩;同时由于采用拱形,坝轴线拉长,使得该坝对温度作用敏感,经温度敏
感性分析,温度变化1℃,主拉、压应力能有1.06MPa的变化。
6 结语
本文采用 3种软件进行了粤北某拱坝的应力计算,较详细地描述了各拱坝程序的计
算原理、主要数据格式及输入、包括温度荷载在内的各工况荷载设定及成果后处理
情况,得出结论如下:
1)所采用的拱坝计算 3种程序,尽管计算原理不同,采用的材料参数有差异,但经过分
析后都能得出大致相同也有价值的结论,也就是:本坝应力满足规范的强度标准,应力
受温度荷载影响较大,位移符合拱坝受力一般规律,最不利工况为设计水位 +温降工
况。反映3种程序都能有效应用于拱坝的计算分析,不同计算方法得到的成果进行
互相对比,有助于判断拱坝的力学性态与安全状况。

表10 自重+设计水位+温降时拱坝上下游面上的铅垂向位移注:表中,位移以向上为
正。?
2)对于拱坝计算,几何建模完成后,材料参数、荷载参数的简化与设定,在一定程度上
影响到计算的应力和位移的结果。但建好模型后,通过计算人员的经验,能很方便地
调设相关材料参数、荷载参数,即进行数值的敏感性调整,可得到包络意义上的结果
变化范围,有助于用作拱坝安全评价的参考。
3)ANSYS有限元程序强大的成果后处理功能,使其能展现各个截面各个方向的应力、
位移成果的云图、矢量图、等值线图等。该程序的前处理功能也一样强大,所建三
维模型在几何尺寸上基本等同于实体,所见即所得,并且与前 2种程序一样具有“傻
瓜”式填入数据的操作界面,尤其值得在复杂水工结构的计算分析中推广应用。
参考文献:

【相关文献】

[1] 考虑扭转作用的拱冠梁法程序——水利水电工程PC1500程序集[M].
[2] 《拱坝通用程序GADAP 28》使用说明——水利水电工程PC1500程序集[M].
[3] 陈正作,刘蕾.拱坝及板壳计算的新方法——反力参数法[M].北京:中国水利水电出版社,1992.
[4] 广东省水利水电科学研究院.广东省翁源县新江镇拉杂坑水电站设计复核与安全鉴定报告[R].广
州:广东省水利水电科学研究院.

我和班长-苏州拙政园景点介绍

本文发布于:2023-04-19 13:45:37，感谢您对本站的认可！

本文链接：https://www.wtabcd.cn/zhishi/a/168188313846142.html

本文word下载地址：钱令希.doc

本文 PDF 下载地址：钱令希.pdf

上一篇：就业规划书

下一篇：返回列表

标签：钱令希

留言与评论（共有 0 条评论）