有限元分析在混凝土拱坝应力计算中的应用

摘要： 对某水电站碾压混凝土拱坝进行了三维有限元应力计算，计算了荷载基本组合下拱坝坝体三维位移云图和拱坝上、下游面主拉应力、主压应力云图，由此分析了该拱坝的应力和变形的最不利位置，为该拱坝在施工期及运行期提供了可靠的参考数据，也为同类型工程设计和施工提供参考价值。

Abstract： Based on the research of arch dam， we calculate the arch dam with the application of general—purpose finite element analysis software ansys. The calculation result of the whole dam that three conditions were calculated to arch dam X， Y to， Z to the displacement of cloud， arch dam， the downstream principal tensile stress， principal stress contour， analysis of the most unfavorable position of stress and displacement of the dam， which provides a reliable reference data during the construction and operation period， but also provides a reference value of similar projects.

关键词： 混凝土拱坝；有限元；应力分析

Key words： concrete arch dam；finite element；stress analysis

中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：1006—4311（2012）27—0081—03

1 工程概况

一个有碾压混凝土双曲拱坝的河口水利枢纽水库总共的的库容是7亿m3，在通常情况下的蓄水下的时候库容减少为6.8亿m3，于是其调节库容就大大低于总库容，为5.6亿m3。就坝顶来说，坝顶的高程为646.00m，其宽度为10m，其坝底最大宽度42m，坝底建基面高程为501.00m，最大坝高145m。水库建设所需要的混泥土在各个部位是各不相同的，根据相关的标准，坝基和两岸坡的垫层，坝体的游面和坝体分别采用设1.5m厚C25常态混凝土，1m厚二级配的C25变态碾压混凝土，和三级配的C25碾压混凝土。

优化布置泄洪建筑物的坝顶需要采用溢洪表孔布置和泄水底孔形式布置两种方式。前者主要应用与坝顶中部位置，此时的溢流坝段宽度达到53m，堰顶高程为628m，分为3个净宽为15m、孔口尺寸为15×15m的孔，溢流面为二级配C30常态混凝土，上游预留检修门槽，工作门的开关运用的是2×150t液压式启闭机。溢流堰与反弧段做好链接，为了消能可以运用挑流的这样可行的方法；泄水底孔形式布置的方法需要位于溢流坝段左右两边布设两个孔身断面为4×6m的泄水底孔，并在其周围5m使用二级配C30混凝土浇筑。底板高程为550.0m。坝体上游和下游分别修建尺寸为4×6m事故检修平门和尺寸为4×5m工作弧门。为了尽可能的避免坝体泄水时冲刷下游河床造成的不利状况，拱坝能够消能，在拱坝下游的坝脚建底板厚度为3m，长度为150m，由C20混凝土浇筑的消力塘，并在末端设溢流堰，使消力塘内形成水垫，为消能服务。

2 计算工况、计算模型及边界条件

2.1 计算工况 在严格遵守《混凝土拱坝设计规范》SL282—2003的相关规定的情况下对组合与工况做出精确的计算。

基本组合：工况1：坝体自重+正常蓄水位+相应下游水位+泥沙压力+温降；工况2：坝体自重+正常蓄水位+相应下游水位+泥沙压力+温升。

2.2 计算模型 有限元模型实际上是根据坝整体及左右坝肩山体来设立的，地基底面是受到三个方向的约束，即地基上、下游面和左右面的法向约束，其相关要求是，地基向河道上游取150m，向河道下游取300m，沿坝体最底面向下取300m。

计算模型采用的坐标系的要求高程是646.00m，另外，用原点代表拱冠梁剖面上游顶端，用X轴代表水流方向，上游为负方向；用Y轴代表高度方向，朝下为负方向；用Z轴代表垂直水流方向，左岸为负。

整体模型网格剖分8节点六面体单元，有限元模型见图1和节点见图2。

2.3 荷载施加 计算荷载就是工程结构上使工程结构或构件产生效应的各种常见的有：自重、水压力、扬压力、泥沙压力、温度荷载等。

①自重荷载就是指按照设计规定计算出相关的混凝土重量大小，它作用计算模型的惯性力为9.8m/s2。

②水压力：施加静水压力时需要注意的是不同的位置需要按照不一样的标准施加压力：也就是说当在坝体上游面及上游地基表面的时候要按水库水位进行，当处于坝体下游面在水位以下及下游地基表面的时候要按下游水位进行，在溢流坝段在弧门挡水时弧门上游按水库水位进行。

③扬压力：主要的依据是《水工建筑物荷载设计规范（DL5076—1997》图8.2.1（c），图中渗透压力折减系数α=0.25。

④泥沙压力：如何对泥沙压力做出精确的计算，必须的认真的分析浮容重的相关数据。

⑤温度荷载：各工况温度荷载计算主要是根据《混凝土拱坝设计规范（SL282—2003）》的相关条款，运用ANSYS软件的温度场模块算出作用到坝体上的温度荷载。拱坝运行期温度荷载的选取如下表1。

3 计算成果及分析