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拱坝在水压力下开裂的数值模拟

作　者: 靳旭
导　师: 董羽蕙
学　校: 昆明理工大学
专　业: 水工结构工程
关键词: 拱坝裂缝水压力扩展有限元应力
分类号: TV642.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

拱坝在现代水利水电工程建设中占有重要地位,其拥有受力合理、承载能力高、造价低等优点,越来越多地受到工程师的青睐。在施工过程中,拱坝结构由于混凝土温度变化而产生一定的应力,致使坝体产生变形,逐步发展成裂缝；在建成使用期,由于自然条件的原因,如周围温度、湿度的变化,致使混凝土结构产生开裂。总之,混凝土材料本身的性质决定了拱坝结构或多或少存在裂缝缺陷。因此,对拱坝结构开裂的研究显得尤为重要。本文从以下几方面内容展开：(1)本文总结了国内外拱坝发展状况,近几年拱坝向高、薄方向发展,传统的拱坝设计准则已不能完全满足安全要求,因此,通过数值分析方法对拱坝开裂等问题进行研究。介绍了当今对含裂缝拱坝研究的常用几种方法,本文采用扩展有限元法对拱坝开裂进行研究。(2)介绍了断裂力学的相关知识。包括断裂力学的产生及发展,断裂力学的重要参量,相关的断裂判断准则。实际工程多以复合裂纹状态出现,本文采用最大轴向拉应力准则作为拱坝裂缝开裂的判据。(3)应用软件CATIA建立几何模型。CATIA拥有较强的曲线、曲面功能,用曲线函数、多截面等命令完美地建立双曲拱坝三维坝体—地基系统模型,保证了后面有限元开裂分析能顺利进行。(4)借助ABAQUS平台实现裂缝开裂。裂纹开裂扩展是高度非线性问题,对模型、求解要求极高。ABAQUS拥有强大的非线性分析能力,本文以地应力平衡,应力强度因子的计算说明计算求解的精确性。采用ABAQUS中扩展有限元法实现拱坝裂缝在水压力下的扩展。(5)利用所建立的沙老河双曲拱坝模型进行应力分析,结果表明：在水压力作用下,含裂缝拱坝受力性能发生了改变,应力不能很好的传递给坝肩,而是更多的集中在坝体上,尤其是裂缝及坝身四周区域。分别对左坝段、右坝段的竖向裂缝进行了受力分析,左坝段受力情况较理想,即便出现裂缝也只是微扩展,对坝体安全威胁不大,而右坝段裂缝易扩展；当裂缝从坝体表面向下游裂开长度小于0.5米,坝体表面裂开长度小于2米,坝体较安全。对坝体中间段水平裂缝进行了受力分析,裂缝向下游裂开长度达到3米,坝体表面裂开长度达到15米,坝体处于危险状态,应当采取适当补救措施。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-8
目录  8-10
第一章绪论  10-19
  1.1 国内外拱坝发展  10-12
  1.2 问题的提出  12-14
  1.3 解决裂缝问题常用方法  14-17
    1.3.1 有限单元法  14-15
    1.3.2 边界元法  15
    1.3.3 无网格法  15-16
    1.3.4 扩展有限元法  16-17
  1.4 本文主要研究内容  17
  1.5 本章小结  17-19
第二章断裂力学基本理论  19-30
  2.1 能量平衡理论  19-20
  2.2 裂纹尖端区域变形特征  20
  2.3 裂纹尖端附近的应力和位移场  20-21
  2.4 应力强度因子  21-25
    2.4.1 位移法求应力强度因子  22-23
    2.4.2 应力法求应力强度因子  23-24
    2.4.3 模拟裂纹尖端的单元  24-25
  2.5 断裂韧度  25
  2.6 K准则  25
  2.7 复合型裂纹断裂准则  25-28
    2.7.1 最大周向拉应力强度因子准则  26-27
    2.7.2 应变能密度因子准则  27-28
  2.8 本章小结  28-30
第三章扩展有限元的应用  30-48
  3.1 ABAQUS软件  30-34
    3.1.1 ABAQUS介绍  30-31
    3.1.2 ABAQUS单元类型  31-32
    3.1.3 ABAQUS划分网格技术  32-33
    3.1.4 划分网格失败的解决方法  33-34
    3.1.5 ABAQUS多步骤分析  34
  3.2 混凝土张拉软化曲线  34-36
  3.3 接触算法  36-37
  3.4 地应力平衡  37-39
  3.5 扩展有限元法计算裂纹扩展  39-44
    3.5.1 扩展有限元基本格式  39-41
    3.5.2 扩展有限元法计算应力强度因子  41-42
    3.5.3 算例分析  42-44
  3.6 ABAQUS非线性问题的求解方法  44-47
    3.6.1 结构的非线性分析  44-45
    3.6.2 增量步与迭代步  45
    3.6.3 ABAQUS中的平衡迭代和收敛  45-47
  3.7 本章小结  47-48
第四章拱坝三维数字化建模  48-54
  4.1 拱坝设计流程  48-49
  4.2 基本体形设计  49-51
  4.3 沙老河拱坝有限元模型的建立  51-53
  4.4 本章小结  53-54
第五章沙老河拱坝工程实例分析  54-78
  5.1 沙老河工程概况  54
  5.2 计算参数及荷载工况  54-56
    5.2.1 材料参数  54
    5.2.2 计算分析假设  54-55
    5.2.3 计算荷载工况  55
    5.2.4 水压力  55
    5.2.5 计算工况  55-56
  5.3 三维非线性有限元分析  56-76
    5.3.1 拱坝无裂缝  56-58
    5.3.2 竖向裂缝的影响  58-68
      5.3.2.1 工况一  58-63
      5.3.2.2 工况二  63-68
    5.3.3 横向裂缝的影响  68-76
      5.3.3.1 工况三  68-72
      5.3.3.2 工况四  72-76
  5.4 计算成果分析  76-77
  5.5 本章小结  77-78
第六章结论与展望  78-80
  6.1 结论  78-79
  6.2 展望  79-80
参考文献  80-85
致谢  85-86
攻读硕士学位期间发表的论文  86-88

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