三峡三期碾压混凝土拱围堰方案研究
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摘要
根据导师张仲卿教授提出的三峡三期碾压混凝土拱围堰方案，本文在以往研究内容基础上，对拱围堰结构体系进行了全面、系统地计算分析。分析中采用通用三维非线性有限元软件ANSYS，从结构静力分析、稳定分析、模态分析、反应谱分析、时程分析、温度场和温度应力仿真分析等角度，对方案进行了研究，然后对结构体型进行了优化分析，使方案进一步完善。结合以往所做的研究工作，本文主要开展了以下几个方面的研究：
1．对结构在静荷载下的基本荷载组合进行应力场和位移场分析，并从结构点抗滑安全系数和抗滑稳定安全系数方面，对围堰结构体系稳定性进行研究，全面论证结构在静载下的承载性态。
2．对结构破坏机理进行研究，分析结构的水压超载破坏渐近过程和超载安全系数，进一步确定结构的安全储备。
3．对结构的模态进行分析研究，在此基础上进行了结构的反应谱分析和时程分析。反应谱分析不仅对地震效应进行单独分析研究，而且将地震效应与自重、水压、温降等静力荷载效应同时考虑，得出更加符合实际的荷载组合效应。从而全面论证结构在承受动载的性态。
4．对结构施工期和运行期全过程进行温度场和温度应力仿真分析，分析中充分考虑各种材料变化及外界条件变化。
5．建立参数化几何模型，以拱围堰体积作为目标函数，根据初方案选定几何约束条件、应力约束条件和稳定约束条件，确定优化数学模型，对结构体形进行优化分析。
6．从安全性和经济性角度，对拱围堰结构体系做出综合的、全面的评价。
Based on the design proposal of the third stage RCC arch cofferdam for the Three Gorges Project, proposed by Prof Zhang Zhongqing, this paper comprehensively studied it, using three non-linear FEM methods. In the procession, static analysis, stability against sliding analysis, modal analysis, response spectrum analysis, transient dynamic analysis, temperature field and thermal stress analysis are done, and in order to make the proposal perfectly, the optimization analysis is done too. Under the research work of my tutor, the following contents are studied.
1. The stress field and displacement field under basic load combination are analyzed, and Point safety against sliding and stabilization safety factor against sliding are also analyzed, so that the structural condition under static load is completely studied.
2. The failure mechanism of structure is analyzed, in this way the safety factor under water press overload is acquired, so that the safety stock and the failure processing can be clearly known.
3. In order to know the structural condition under dynamic load clearly, modal analysis, response spectrum analysis and transient dynamic analysis to the structure are analyzed. In the response spectrum analysis, not only the earthquake load is considered, but also other loads including gravity, water pressure and temperature drop are all considered, for acquiring the practical action of load combination.
4. Considering all kinds of changes of material and environment during the whole construction, the temperature field and thermal stress are analyzed.
5. The mathematic model for optimization analysis is determined by founding parametric model, selecting the volume of arch cofferdam as object function, and selecting geometric constraint conditions, stress conditions and stabilization against sliding constraint conditions. The shape optimization of the structure is then analyzed to acquire perfect proposal.
6. Based on the analysis of results, the merits and demerits of the arch cofferdam are evaluated from the point of safety and economical efficiency.
1．对结构在静荷载下的基本荷载组合进行应力场和位移场分析，并从结构点抗滑安全系数和抗滑稳定安全系数方面，对围堰结构体系稳定性进行研究，全面论证结构在静载下的承载性态。
2．对结构破坏机理进行研究，分析结构的水压超载破坏渐近过程和超载安全系数，进一步确定结构的安全储备。
3．对结构的模态进行分析研究，在此基础上进行了结构的反应谱分析和时程分析。反应谱分析不仅对地震效应进行单独分析研究，而且将地震效应与自重、水压、温降等静力荷载效应同时考虑，得出更加符合实际的荷载组合效应。从而全面论证结构在承受动载的性态。
4．对结构施工期和运行期全过程进行温度场和温度应力仿真分析，分析中充分考虑各种材料变化及外界条件变化。
5．建立参数化几何模型，以拱围堰体积作为目标函数，根据初方案选定几何约束条件、应力约束条件和稳定约束条件，确定优化数学模型，对结构体形进行优化分析。
6．从安全性和经济性角度，对拱围堰结构体系做出综合的、全面的评价。
Based on the design proposal of the third stage RCC arch cofferdam for the Three Gorges Project, proposed by Prof Zhang Zhongqing, this paper comprehensively studied it, using three non-linear FEM methods. In the procession, static analysis, stability against sliding analysis, modal analysis, response spectrum analysis, transient dynamic analysis, temperature field and thermal stress analysis are done, and in order to make the proposal perfectly, the optimization analysis is done too. Under the research work of my tutor, the following contents are studied.
1. The stress field and displacement field under basic load combination are analyzed, and Point safety against sliding and stabilization safety factor against sliding are also analyzed, so that the structural condition under static load is completely studied.
2. The failure mechanism of structure is analyzed, in this way the safety factor under water press overload is acquired, so that the safety stock and the failure processing can be clearly known.
3. In order to know the structural condition under dynamic load clearly, modal analysis, response spectrum analysis and transient dynamic analysis to the structure are analyzed. In the response spectrum analysis, not only the earthquake load is considered, but also other loads including gravity, water pressure and temperature drop are all considered, for acquiring the practical action of load combination.
4. Considering all kinds of changes of material and environment during the whole construction, the temperature field and thermal stress are analyzed.
5. The mathematic model for optimization analysis is determined by founding parametric model, selecting the volume of arch cofferdam as object function, and selecting geometric constraint conditions, stress conditions and stabilization against sliding constraint conditions. The shape optimization of the structure is then analyzed to acquire perfect proposal.
6. Based on the analysis of results, the merits and demerits of the arch cofferdam are evaluated from the point of safety and economical efficiency.
引文
[1] 潘家铮．中国大坝50年．电力出版社，2000
[2] 潘家铮．中国水利建设的成就问题和展望．中国工程科学，2002(2)．
[3] USBR, Treatise on Dams-Chapter 10 Arch Dams. United States: Department of the interior, BUREAU OFRECLA mation, 1948.
[4] 《中国水力发电工程》编委会．中国水力发电工程·水工卷．中国电力出版社，2000．
[5] Design of Arch Dams. United States Department of The Interior Bureau of Reclamation. 1977
[6] 美国垦务局著，拱坝设计翻译组译，潘家铮校．拱坝设计，水利电力出版社，1984
[7] 李瓒，陈兴华，郑建波，王光纶．混凝土拱坝设计．中国电力出版社，2000．
[8] 张仲卿等．岩滩水电站碾压混凝土拱围堰设计计算和试验研究，红水河，1986(3)
[9] 张仲卿．碾压混凝土拱坝设计及应力分析研究，水利学报，1992(7)
[10] 朱伯芳．中国拱坝建设的成就．水力发电，1999(10)
[11] 汝乃华．世界拱坝技术史大纲．上海水利水电技术，1996(1)
[12] 汝乃华，姜忠胜．大坝事故与安全·拱坝．中国水利水电出版社，1995
[13] 潘家铮．重力坝设计，水利电力出版社，1987
[14] 朱伯芳．朱伯芳院士文选．中国电力出版社，1997
[15] 潘家铮．中国的混凝土坝建设要攀登新的高峰．混凝土坝技术，1996(2)
[16] 混凝土拱坝设计规范，GJ-148-85．水利水电出版社，1985
[17] 水电水利工程围堰设计导则(DL／T 5087-1999)，中国电力出版社，1999
[18] 袁光裕主编．水利工程施工(第二版)，水利电力出版社，1985．10
[19] 匡林生，施工导流及围堰，水利电力出版社，1993．6
[20] 混凝土拱坝设计规范(SD 145-85)，水利电力出版社，1985
[21] 水工建筑物抗震设计规范(Dl 5073-1997)，中国电力出版社，1997
[22] 建筑抗震设计规范(GB 50011-2001)，中国建筑工业出版社，2001
[23] 黎展眉．拱坝．水利电力出版社，1982
[24] 汪景琦．拱坝的设计和计算．中国工业出版社，1965
[25] 王宏硕主编．水工建筑物，水利电力出版社，1990
[26] 吴媚玲．水工建筑物，清华大学出版社，1991
[27] 水利水电科学研究院结构材料研究所．大体积混凝土．水利电力出版社，1989
[28] 胡安杰，混凝土拱坝及重力坝接缝设计与构造．水利电力出版社，1986
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[30] JOItN F. HALL AND MICHAEL J DOWLING, Response of Jointed Arches to Earthquake Excitation, Earthquake Engineering and Structure Dynamics. 1985
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[33] 谢能刚，孙林松，王德信．静力和动力荷载下高拱坝体型多目标优化设计，水利学报，2001(10)
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[36] 席少霖．非线性最优化方法．高等教育出版社，1997
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[40] 陈厚群．有横缝拱坝的非线性振动模型试验和计算分析，地震工程与工程振动，1995(4)
[41] 杜修力，陈厚群，侯顺载．拱坝系统三维非线性地震波动分析，地震工程与工程振动，1996(3)
[42] 侯顺载，涂劲．有缝大坝的动态数值分析．计算技术与计算机应用，1999(1)
[43] 刘国民．连杆接触单元非线性模型及其工程应用．福州大学学报，1997(6)
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[46] 楼梦麟，设有横缝的高拱坝地震反应分析方法．水利学报，2000(6)
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[48] 韩晓凤，张仲卿．试件尺寸对碾压混凝土层面抗剪断强度的影响，人民长江，2002(7)
[49] 张伟，张仲卿．两岸岩体对重力坝承载能力的影响研究，水利水电技术，2003(3)
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[59] 朱伯芳，多层混凝土结构仿真应力分析的并层算法．水力发电学报，1994(3)
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[61] 朱伯芳，董福品．高拱坝应力控制标准研究．水力发电，2001(8)
[62] 李雪春，陈重华，徐昕．非整体拱坝结构分析研究．．水利学报，2002(6)
[63] 李嘉进，二滩高拱坝混凝土的特点和裂缝的关系．水电站设计，2002(1)
[64] 惠荣炎，黄国兴，易冰若．混凝土的徐变．中国铁道出版社，1988
[65] 傅作新．工程徐变力学．水利电力出版社，1985
[66] 周履，陈永春．收缩徐变．中国铁道出版社，1994
[67] 张涛，黄达海，王清湘．沙牌碾压混凝土拱坝温度徐变应力仿真计算．水利学报，1999(9)
[68] 沈崇刚．中国碾压混凝土坝技术的进展与运行经验．Rcc’99碾压混凝土筑坝技术国际会议论文集，1999
[69] 张国新，刘光廷等．整体碾压混凝土拱坝工艺及温度场仿真计算．清华大学学报，1996(1)
[70] 朱伯芳．论拱坝的温度荷载．水工结构与固体力学论文集．水利电力出版社，1988
[71] 刘光廷，邱德隆．含横缝碾压混凝土拱坝的变形和应力重力分布．清华大学学报，1996(1)
[72] 朱伯芳，许平．广西右江百色水利枢纽碾压混凝土重力坝温度应力研究．中国水利水电科学研究院，1996．8
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[74] 刘光廷，麦家煊，张国新，溪柄碾压混凝土薄拱坝的研究．水力发电学报，1997(2)
[75] 朱伯芳．大体积混凝土温度应力与温度控制．中国电力出版社，1999
[76] 潘家铮主编．水工建筑物的温度控制．水利电力出版社，1990
[77] 朱伯芳．多层混凝土结构仿真应力分析的并层算法．水力发电学报，1994(3)
[78] 朱伯芳．不稳定温度场数值分析的时间域分区异步长算法．水利学报，1995(8)
[79] 朱伯芳，许平．混凝土坝仿真计算的并层算法和分区异步长算法．水力发电，1996(1)
[80] 朱伯芳，宋敬廷．双曲拱坝的最优化设计．水利水运科学研究，1980(1)
[81] 傅作新，钱向东。有限单元法在拱坝设计中的应用．河海大学学报，1991．(2)
[82] 黄达海．高碾压混凝土拱坝施工过程仿真分析．大连理工大学博士论文．1999
[83] 张建海，何江达，范景伟．小湾高拱坝三维有限元弹塑性分析．云南水力发电．2001(1)
[84] 魏文凯，小湾高拱坝应力＼基础稳定＼抗震及材料问题研究综述，云南水力发电．2001(1)
[85] 朱伯芳，强震地区高拱坝抗震配筋问题，水力发电，2000(7)
[86] 潘家铮，陈式慧．关于高拱坝建设中若干问题的探讨．科技导报，1997
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[2] 潘家铮．中国水利建设的成就问题和展望．中国工程科学，2002(2)．
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[83] 张建海，何江达，范景伟．小湾高拱坝三维有限元弹塑性分析．云南水力发电．2001(1)
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[87] 周维垣，杨若琼，剡公瑞．高拱坝的有限元分析方法和设计研究判据研究．水利学报，1997