水工結(jié)構(gòu)計算力學(xué)

1、1重力壩漸進(jìn)破壞過程模擬方法 超載法超載法主要考慮作用荷載的不確定性，以此爭辯結(jié)構(gòu)承受超載作用的力量該方法較直觀，便于在結(jié)構(gòu)物理模型試驗中接受，從而使數(shù)值模擬與物理模擬結(jié)果相互印證，且積累了較多的工程閱歷。但要使結(jié)構(gòu)達(dá)到最終整體失穩(wěn)的極限狀態(tài)，其相應(yīng)的超載系數(shù)是很大的，而實際上結(jié)構(gòu)的這種荷載狀態(tài)幾乎是不行能消滅的，故這種方法求得的超載系數(shù)只是結(jié)構(gòu)平安度的一個表征指標(biāo)超載法認(rèn)為，作用在壩上的外荷載由于某些特殊緣由有可能超過設(shè)計荷載，超過的總荷載與設(shè)計總荷載之比稱為超載系數(shù)用漸漸增加超載系數(shù)爭辯壩從局部到整體破壞的漸進(jìn)破壞過程的方法，稱為超載法。超載法分為超水容重K(三角形超載)和超水位KH(矩形

2、超載)兩種方法 2 強(qiáng)度儲備系數(shù)法主要考慮材料強(qiáng)度的不確定性和可能的弱化效應(yīng)，以此爭辯結(jié)構(gòu)在設(shè)計上的強(qiáng)度儲備程度。自然巖體由于成因和結(jié)構(gòu)構(gòu)造運(yùn)動其不均勻性格外明顯，節(jié)理、裂隙和斷層發(fā)育且分布規(guī)律簡單，很難精確地把握其工程尺度范圍內(nèi)的物理力學(xué)性能，各局部材料參數(shù)相差數(shù)倍是完全可能的，因此強(qiáng)度儲備系數(shù)法從這種意義上能較真實地反映結(jié)構(gòu)破壞的實質(zhì)和可能的失穩(wěn)模式。但這種方法目前工程應(yīng)用閱歷積累還顯不足強(qiáng)度儲備系數(shù)法用降低強(qiáng)度參數(shù)的方法，爭辯大壩失穩(wěn)的漸進(jìn)破壞過程，如令K表示強(qiáng)度儲備系數(shù)，K為大于1.0的值，f、c為實際的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，降強(qiáng)度就是用fK、cK代替f、c值進(jìn)行計算，隨著K值的漸漸增大，可以

3、求出大壩從局部破壞到全部破壞的破壞全過程，所算得的整體破壞時的K值的大小也能反映大壩平安的程度。強(qiáng)度儲備系數(shù)法包括對f、c值接受等比例降強(qiáng)度和不等比例降強(qiáng)度（等保證率）兩種方法 2重力壩整體穩(wěn)定平安度判據(jù)1 從有限元平衡方程來看，即在某肯定的荷載條件下，結(jié)構(gòu)的變位趨于無窮，所以可以通過有限元計算中迭代消滅不收斂或者壩體壩基系統(tǒng)的某些特征點(diǎn)位移發(fā)生突變來判別系統(tǒng)是否達(dá)到其極限承載力，而此時的強(qiáng)度儲備系數(shù)或超載系數(shù)就可以表征系統(tǒng)的最終整體平安度 2 從結(jié)構(gòu)整體平安角度來看，假如壩體壩基系統(tǒng)在肯定的荷載條件下其破壞區(qū)域漸進(jìn)進(jìn)展以致使其形成某種滑動模式，即此時系統(tǒng)已達(dá)到其極限承載力因此在非線性有限元計

4、算中，可通過考察壩體壩基系統(tǒng)的塑性屈服區(qū)（破壞區(qū)域）是否貫穿來判別系統(tǒng)是否達(dá)到其極限承載力，此時的強(qiáng)度儲備系數(shù)或超載系數(shù)也可以用來表征系統(tǒng)的最終平安度 3結(jié)構(gòu)能量法認(rèn)為，在非線性有限元超載法和強(qiáng)度儲備系數(shù)法具體計算過程中，假如本次計算能夠迭代收斂，說明這一系統(tǒng)能夠達(dá)到平衡，結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生一內(nèi)力系與外力保持平衡，系統(tǒng)總勢能的一階變分為零，總勢能保持最小。但這一平衡體系是否穩(wěn)定，則需考察總勢能的二階變分，當(dāng)二階變分大于零，系統(tǒng)平衡是穩(wěn)定的；當(dāng)二階變分等于零，系統(tǒng)平衡處于臨界狀態(tài)；當(dāng)二階變分小于零，平衡是不穩(wěn)定的。因此，依據(jù)總能量的二階變分的正負(fù)可以判定系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性，對應(yīng)的強(qiáng)度儲備系數(shù)或超載系數(shù)也

5、可以用來表征系統(tǒng)的最終平安度 l 重力壩設(shè)計規(guī)范關(guān)于沿建基面滑動的平安系數(shù)規(guī)定:即基本荷載組合下平安系數(shù)=3.0；特殊荷載組合下平安系數(shù)=2.32.5剛體極限平衡法l 混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范未對深層抗滑穩(wěn)定平安系數(shù)作出規(guī)定 l 混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范未對有限元穩(wěn)定計算的把握標(biāo)準(zhǔn)作出規(guī)定（有限元網(wǎng)格、材料模型、計算程序、失穩(wěn)準(zhǔn)則等緣由）重力壩有限元穩(wěn)定計算把握標(biāo)準(zhǔn)l 從大量的有限元計算實例看，三種方法（強(qiáng)度儲備系數(shù)法、超載法、剛體極限平衡）計算得出的平安系數(shù)是不同的，由于計算的前提條件和物理機(jī)理的不同，因此其結(jié)果也不具備可比性l 從類似工程的淺深層抗滑計算成果看，其強(qiáng)度儲備系數(shù)都不小于現(xiàn)行重力壩設(shè)計

6、規(guī)范關(guān)于沿建基面滑動穩(wěn)定規(guī)定的平安系數(shù) 4重力壩壩基加固措施 設(shè)置混凝土齒槽 。進(jìn)行灌漿加固，增加巖體變模和強(qiáng)度。脆弱夾層實施混凝土硐塞處理l 1拱壩計算目的。校核壩體的應(yīng)力l 校核壩基壩肩穩(wěn)定l 為孔口配筋供應(yīng)依據(jù)l 論證拱壩體形的合理性l 論證壩肩壩基加固措施的可行性2拱壩橫縫的模擬拱壩的橫縫是各相鄰壩段間的接觸界面，在求解之前，接觸表面之間是接觸或分開是未知的，突然變化的，這隨載荷、材料、邊界條件和其它因素而定，橫縫可傳遞法向壓力和不超過接觸界面間的最大摩擦力的剪力 l 壩體接縫灌漿前橫縫按接觸單元考慮l 灌漿后水平方向壩體形成完整拱圈，按整體無縫計算l 橫縫的等效彈模取為混凝土塊體彈模

7、的80% ，如無試驗參數(shù)，橫縫抗拉強(qiáng)度取塊體抗拉強(qiáng)度的0303壩體施工工程模擬l 壩體混凝土在分層澆筑的過程中體形不斷變化，計算時可用單元生死來模擬這一過程l 依據(jù)壩體的澆筑過程沿著水平方向?qū)误w分成若干個澆筑層。在計算時，將壩體單元依據(jù)從壩基到壩頂?shù)臐仓ご危殖扇舾珊奢d步，依次激活，依此類推，直至到壩體的最頂層澆筑層澆筑完畢4應(yīng)力把握標(biāo)準(zhǔn)l 壓應(yīng)力把握標(biāo)準(zhǔn) 混凝土容許壓應(yīng)力等于混凝土極限抗壓強(qiáng)度除以平安系數(shù)，對于1級拱壩，基本組合平安系數(shù)接受4.0，非地震工況特殊荷載組合平安系數(shù)接受3.5l 拉應(yīng)力把握標(biāo)準(zhǔn)（拱梁分載法） 基本組合容許拉應(yīng)力拉= 1.2MPa，非地震特殊組合容許拉應(yīng)力拉=

8、1.5MPal 拉應(yīng)力把握標(biāo)準(zhǔn)（彈性有限元法） 基本組合容許拉應(yīng)力拉= 1.5MPa，非地震特殊組合容許拉應(yīng)力拉= 2.0MPa （接受等效應(yīng)力）5有限元等效應(yīng)力等效應(yīng)力法的基本思想就是將有限元計算的應(yīng)力重量，沿斷面積分，得到內(nèi)力，然后用材料力學(xué)法計算斷面上的應(yīng)力重量 l 6強(qiáng)度參數(shù)取值標(biāo)準(zhǔn) f1、c1抗剪斷摩擦系數(shù)、分散力，取材料的峰值強(qiáng)度的小值平均值 f2對于脆性破壞的材料，接受比例極限； 對于塑性破壞的材料，接受屈服強(qiáng)度； 對于已經(jīng)剪切錯動過的材料，接受殘余強(qiáng)度l 7拱壩抗滑穩(wěn)定分析的有限元法超載法、強(qiáng)度儲備系數(shù)法、能量法l 拱壩規(guī)范未對有限元穩(wěn)定分析結(jié)果作出規(guī)定（有限元網(wǎng)格、材料模型、

9、計算程序、失穩(wěn)準(zhǔn)則等緣由）l 一般拱壩超載法在3.0以上、強(qiáng)度儲備系數(shù)法在2.5以上1土石壩計算目的計算壩體的應(yīng)力和變形計算防滲結(jié)構(gòu)（面板、心墻）的應(yīng)力和變形，為防滲設(shè)計供應(yīng)依據(jù)論證壩體材料分區(qū)的合理性計算壩坡穩(wěn)定優(yōu)化施工程序和蓄水工程2土石壩模型的概化l 壩體材料分區(qū)的模擬l 河谷外形的模擬l 碾壓層厚、單元尺寸選取l 計算范圍的選取l 平面計算/三維計算3材料本構(gòu)模型l Duncan E-模型、E-B模型,1970年 l 以彈性體積模量K和剪切模量G兩個彈性常數(shù)表達(dá)的，稱為KG彈性模型1975年 l 羅斯科（Roscoe,1963年）等人提出的劍橋帽子模型l Lade and Duncan

10、模型，1975年 l 我國清華高校黃文熙教授1980年提出的黃文熙彈塑性模型l 沈珠江雙屈服面彈塑性模型1990年 4Duncan E-B模型l 以常圍壓的三軸剪切試驗為基礎(chǔ)，將偏應(yīng)力和軸應(yīng)變擬合為雙曲線關(guān)系式l 假定土石料抗剪強(qiáng)度符合摩爾庫倫（Mohr-Coulomb）破壞準(zhǔn)則條件下，推導(dǎo)出切線模量Et和切線泊松比Bt供彈性增量分析之用 4土石壩特殊邊界條件的模擬l 面板壩的豎縫、周邊縫、面板與墊層的連接l 心墻壩的心墻與土石料的連接l 特殊邊界條件均為接觸界面，在求解之前，接觸面之間認(rèn)為是無縫隙的，加載后隨載荷、材料、邊界條件和其它因素而定，接觸縫面可傳遞法向壓力和不超過接觸界面間的最大摩

11、擦力的剪力 1數(shù)值分析方法的分類l 有限差分法用差分方程代替微分方程l 建立等效（弱）積分提法，求近似解加權(quán)余量法（配點(diǎn)法、最小二乘法、伽遼金法）可以用來構(gòu)造泛函。解的收斂性沒有嚴(yán)格的理論證明，近似解不具備明確的上下界性質(zhì)l 里茲法 要求解的問題的微分方程具有特定的性質(zhì)（線性、自伴隨、偶數(shù)階微分），則等效積分提法可歸結(jié)為某個泛函的變分。相應(yīng)的近似解就是求泛函的駐值 缺點(diǎn)：在這個求解區(qū)域上假設(shè)近似函數(shù)，幾何外形簡單的求解域，找不到合乎要求的近似函數(shù)l 有限單元法 有限元法是以變分原理為基礎(chǔ)，將要求解的微分方程型數(shù)學(xué)模型，首先轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的變分問題，即泛函求極值問題；然后，利用分片插值將變分問題離散

12、化為一般多元函數(shù)的極值問題，最終歸結(jié)為一組多元的代數(shù)方程組，求解該方程組，即可獲得問題的數(shù)值解2變分原理l 原問題的微分方程和邊界條件等效于泛函的變分等于零，即泛函取駐值l 假如泛函取駐值，等效于滿足原問題的微分方程和邊界條件3基于變分原理的有限元提法n 有限元法是以變分原理為基礎(chǔ)n 找出問題的微分方程（數(shù)學(xué)模型）構(gòu)造泛函泛函變分單元平衡方程組裝整體平衡方程求解方程組獲得問題的數(shù)值解4力學(xué)問題變分原理虛功原理虛位移原理平衡方程力的邊界條件。最小勢能原理，下限解虛應(yīng)力原理幾何方程位移邊界條件最小余能原理上限解5熱傳導(dǎo)問題變分原理6熱傳導(dǎo)問題l 熱傳導(dǎo)方程建立了溫度與時間、空間的關(guān)系，但滿足熱傳導(dǎo)

13、方程的解有無限個。l 為了確定我們所需要的溫度場，還必需知道初始條件和邊界條件。7熱傳導(dǎo)問題邊界條件l 固體表面與四周介質(zhì)相互作用的規(guī)律 第一類邊界條件：固體表面溫度是時間t的已知函數(shù)其次類邊界條件：固體表面溫度與流體（如空氣）接觸時，通過固體表面的熱流密度，與固體表面溫度之差成正比 8滲流問題的基本方程9滲流問題的邊界條件第一類邊界條件水頭已知 其次類邊界條件法向流速已知 自由面邊界 溢出面的邊界條件 10重力壩溫控計算的目的提消滅有混凝土材料參數(shù)條件下的溫控標(biāo)準(zhǔn)、溫控措施、混凝土澆筑方案11溫控標(biāo)準(zhǔn)溫度方面基礎(chǔ)溫差、內(nèi)外溫差、上下層溫差，最高允許溫度l 溫度應(yīng)力方面最大允許拉應(yīng)力12混凝土

14、熱學(xué)力學(xué)參數(shù)輸入l 水化熱、絕熱溫升l 導(dǎo)熱系數(shù) 、導(dǎo)溫系數(shù)、比熱、表面放熱系數(shù)l 彈模、泊松比、徐變、自身體積變形、線脹系數(shù)l 抗拉強(qiáng)度（劈拉、軸拉）、抗壓強(qiáng)度、極限拉伸值13澆筑方案的初步擬定l 開澆日期l 澆筑溫度l 澆筑層厚l 間歇時間l 冷卻水管的布置l 通水水溫、通水時間l 表面愛護(hù)措施14重力壩有限元溫控分析留意事項l 考慮壩體混凝土澆筑過程 l 溫度初始條件 l 邊界條件 ：水溫、氣溫為時間的函數(shù)l 水化熱 、絕熱溫升：時間的函數(shù)l 水管冷卻：等效熱傳導(dǎo)方程 l 材料力學(xué)性質(zhì) 溫度及溫度應(yīng)力仿真計算時，混凝土的水化熱、彈模和自身體積變形是隨時間變化的函數(shù)，可依據(jù)實際工程的試驗資料擬合為相應(yīng)的曲線形式。徐變度是持荷時間和加載齡期的函數(shù) 1拱壩溫控標(biāo)準(zhǔn)溫度方面基礎(chǔ)溫差最高溫度封拱溫度.溫度應(yīng)力方面.最大允許拉應(yīng)力2封拱溫度一般與穩(wěn)定溫度持平或者低于穩(wěn)定溫度133拱壩有限元溫控分析留意事項必需有封拱前的后期通水冷卻,必需精確地冷卻至封拱溫度4碾壓混凝土壩溫控分析主要特點(diǎn)水化熱速率慢，發(fā)熱時間長，13年.主要接受誘導(dǎo)縫的形式，一般不進(jìn)行封拱灌漿、二期冷卻.蓄