拱坝抗震措施设计和实现土木工程专业.docx

摘要 目前，拱坝已经被广泛应用于现代水利工程的高坝建设之中，因为拱坝相比其他类型大坝具有很多的优势，比如超载能力强、造型优美、抗震性能好、结构轻巧等优点。由于拱坝的复杂的空间壳体结构，因此拱坝的受力状况也非常的复杂，评价一个拱坝安全性的重要的指标是坝体的应力应变性能，为了对高拱坝结构的安全性进行更好的进行分析和评价，研究复杂受力状况下拱坝位移及应力变化规律和特点是非常重要的一点。 本设计主要应用到有限单元法静动力分析的原理和计算方法，应用FEPG.GID 软件建立白鹤滩拱坝的实体模型，建立模型的过程发现该软件强大的建模功能，之后会用到功能全面的有限元软件ABAQUS，用此软件对白鹤滩拱坝进行有限元动力分析。主要有以下的研究结论和工作内容： （1）动力计算分析时进行拱坝动力时程分析，通过计算与分析，研究白鹤滩拱坝在地震力作用下的动力响应特征。动力时程分析结果显示，建设大坝设置扩大基础比无扩大基础更加的安全，有效的降低坝基的压应力，根据应力的分布，进行配筋设置。根据损伤图提出相应的抗震措施。 （2）本设计是以工程实例为根据，应用ABAQUS软件进行静动力分析，最终得到位移应力图以及动力响应的结果特性良好，这些成果对实际工程设计及建设有实际的指导作用。 关键词：白鹤滩拱坝；建模；有限元动力分析计算；应力分析。 Design of Anti - seismic Measures for Arch Dam Abstract At present, arch dams have been widely used in the construction of high dams of modern water conservancy projects, because arch dams have many advantages over other types of dams, such as overloading ability, beautiful shape, good seismic performance and light structure. Due to the complex spatial shell structure of the arch dam, the stress condition of the arch dam is also very complicated. The important index to evaluate the safety of an arch dam is the stress and strain performance of the dam, and the arch dam under complex stress Deformation and stress variation rules and characteristics of the high arch dam structure safety analysis and evaluation has very important significance and value.    This design is mainly applied to the principle and calculation method of static and dynamic analysis of finite element method. The physical model of Baihetan arch dam is established by FEPG.GID software. Finite element software ABAQUS is used to analyze the finite element static and dynamic force of Baihetan arch dam. The main contents of the work and the conclusions are as follows:   (1) Dynamic analysis of arch dams is carried out. The dynamic response characteristics of Baihetan arch dam under the action of seismic force are studied by calculation and analysis. The results of dynamic time history analysis show that the construction of dam foundation is more safe than non - expanding foundation, effectively reducing the compressive stress of dam foundation, and arranging reinforcement according to the distribution of stress. According to the damage map to put forward the corresponding seismic measures.    (2) The design is based on the concrete high arch dam engineering example, using the large-scale finite element analysis software ABAQUS three-dimensional finite element analysis method to obtain the displacement diagram, stress diagram, structure of the vibration characteristics and dynamic response results regularity is better, These results not only have practical effect on the construction and design of practical projects, but also have great reference value for similar projects. Key words: Baihetan arch dam; modeling; finite element dynamic analysis and calculation; stress analysis。 目录 摘要 I Abstract II 1 引言 1 2 拱坝的特点及对研究主要的内容的简单介绍 2 2.1 拱坝的结构特点 2 2.2 问题的提出及设计的主要研究内容 2 3 有限元计算软件ABAQUS简介 2 3.1 有限单元法静动力分析理论和方法 2 3.2 ABAQUS有限元软件介绍 3 3.3 ABAQUS在水利工程中的应用 3 3.4 动力时程分析法在ABAQUS中的应用 3 4 混凝土高拱坝整体模型构建及静力分析 4 4.1 工程背景 4 4.2 拱坝基本资料 4 4.2.1 拱坝几何参数 4 4.2.2 拱坝材料物理力学参数 5 4.3 作用荷载及计算工况 6 4.3.1 作用荷载 6 4.3.2 计算工况 8 4.4 拱坝有限元计算模型 8 5 混凝土拱坝动力分析 9 5.1 计算模型与计算参数 9 5.2 坝体地震荷载作用下的时程分析 11 5.2.2 无扩大基础结构位移分析 15 5.2.3 有扩大基础结构应力分析 17 5.2.4 无扩大基础结构应力分析 21 5.3 拱坝损伤图分析 24 5.3.1 有扩大基础损伤图 24 5.3.2 无扩大基础损伤图 25 6 抗震措施的设计 26 参 考 文 献 27 致谢 27 IV 1 引言 本文主要阐明了设计中涉及到的基本知识和软件操作的基本原理，首先介绍了拱坝的结构特点，由于拱坝自身存在的优势，比如工作条件好，安全度高，超载能力强，抗震性能好等明显的优势，决定了其在今后的高坝建设中的地位，所以对拱坝的抗震研究背后存在着巨大的价值，之后调查了国内外拱坝的研究进展，发现近些年来，很多大坝都选用拱坝设计建设方案，并且白鹤滩拱坝属于Ι等工程，泄洪、挡水以及引水发电等建筑物都是按照I级建筑物的标准设计，其地形地质条件比较复杂，受力条件相对复杂，其坝址是位于强地震区，坝址的地震基本烈度为Ⅷ度。考虑到白鹤滩拱坝的工程背景，对白鹤滩拱坝的抗震措施进行研究对拱坝的设计有非常重要的意义，并且对之后拱坝的建设也具有相当大的参考价值。之后对大型有限元软件ABAQUS进行了简单的介绍，对如何使用ABAQUS软件静动力分析的理论和方法以及ABAQUS在水利工程中的广泛应用，然后对白鹤滩拱坝的工程背景进行了一些了解，确定了一些拱坝计算参数，之后应用FEPG.GID 软件建立白鹤滩拱坝的有限元模型，使用ABAQUS软件对拱坝进行有限元静动力分析，最后得出结论。 2 拱坝的特点及对研究主要的内容的简单介绍 2.1 拱坝的结构特点 拱坝的结构十分复杂，属于复杂的空间壳体结构，平面上看，其外部轮廓呈拱形，凸向上游，拱坝通过拱作用将一部分力压向两岸，通过梁作用将另一部分传道坝底基岩上。下面介绍拱坝的特点： （1）稳定特点。在设计施工中，除考虑坝体强度外，还应十分重视拱坝坝肩岩体的抗滑稳定和变形。拱坝坝体是凭借拱端的反作用力来保持稳定的，而重力坝是凭借自己本身的重力作用。因此，相比于重力坝，对于地形和地质的要求拱坝相对更高一些，地基也需要进行严格的处理才可以。 （2）结构特点。拱坝超载能力强，安全度高，属于高次超静定结构，外部受力变化或坝体出现裂缝时，坝体会自行调整，重新分配坝体应力。 拱坝的坝体轻韧，弹性好，并且其具有很强的抗震能力。 拱的结构特点，决定了拱成为受到轴向压力的推力结构，拱结构能够有效的利用材料强度，使材料的强度得到充分的发挥，拱的作用利用越充分，混凝土材料的高抗压强度的特点就越能够充分的被利用，坝体因此变得更薄，进而节省了材料的用量。因此拱坝相比重力坝有很好的经济性。 （3）荷载特点。拱坝的设计中，温度是一个需要考虑的问题，是拱坝承受的主要荷载，并且岩基的变形对拱坝的设计也有很大的影响，因此在设计时要将主要的问题考虑在其中。 2.2 问题的提出及设计的主要研究内容 白鹤滩水电站坝高289m。白鹤滩水电站已发电为主，电站装机容量为15500MW，此外，白鹤滩水电站还有许多其他的综合利用效益，比如，拦沙、防洪、发展库区航运等。该工程规模宏大，效益明显，白鹤滩拱坝属于Ι等工程，地理位置处于强地震带，地形地质受力等情况比较复杂。对白鹤滩拱坝的抗震性能及应力状态进行计算分析，关系到地区经济社会效益的发挥、高拱坝的安全以及国家和人民生命财产的安全的问题。 本次设计主要分析白鹤滩拱坝的位移以及应力特征，通过ABAQUS软件计算，得到位移应力图。对使用ABAQUS软件进行应力分析的理论进行了一些介绍，根据实际情况建立白鹤滩拱坝的三维有限元模型，建模完成后，对建立的拱坝有限元模型进行静动力分析计算，得到位移应力图形，研究结构有扩大基础与无扩大基础坝体在地震作用下的动力响应规律，对动力计算结果