拱坝抗震措施设计

1、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。 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

2、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 DamAbstract At present, arch dams have been widely used in the construction of high dams of modern water conserv

3、ancy 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 i

4、mportant 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 val

5、ue. 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 forc

6、e 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

7、 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 correspondin

8、g 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

9、 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; str

10、ess analysis。目录摘要IAbstractII1 引言12 拱坝的特点及对研究主要的内容的简单介绍22.1 拱坝的结构特点22.2 问题的提出及设计的主要研究内容23 有限元计算软件ABAQUS简介23.1 有限单元法静动力分析理论和方法23.2 ABAQUS有限元软件介绍33.3 ABAQUS在水利工程中的应用33.4 动力时程分析法在ABAQUS中的应用34 混凝土高拱坝整体模型构建及静力分析44.1 工程背景44.2 拱坝基本资料44.2.1 拱坝几何参数44.2.2 拱坝材料物理力学参数54.3 作用荷载及计算工况64.3.1 作用荷载64.3.2 计算工况84.4 拱坝有限

11、元计算模型85 混凝土拱坝动力分析95.1 计算模型与计算参数95.2 坝体地震荷载作用下的时程分析115.2.2 无扩大基础结构位移分析155.2.3 有扩大基础结构应力分析175.2.4 无扩大基础结构应力分析215.3 拱坝损伤图分析245.3.1 有扩大基础损伤图245.3.2 无扩大基础损伤图256 抗震措施的设计26参 考 文 献27致谢27III1 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，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

12、，很多大坝都选用拱坝设计建设方案，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，下面介绍拱坝的特点

13、： （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

14、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 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，白鹤滩拱坝属于等工程。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，对动力计算结果进行

15、分析，提出合理的抗震措施。3 有限元计算软件ABAQUS简介3.1 有限单元法静动力分析理论和方法 拱坝有限元计算分析分为一维有限元法、壳体有限元法以及三维有限元法。本次使用三维有限元法分析白鹤滩拱坝，有限元分析的方法非常的普遍实用，该方法能够适用复杂的地形，适用不同形状的拱坝；能够考虑任何性质的荷载，并且能够做动力分析等。3.2 ABAQUS有限元软件介绍 ABAQUS主要由显式分析模块和通用分析模块两个分析模块组成。其优点如下: (1)分析功能强大。ABAQUS可以求解线性和非线性问题，可以分析复杂的固体力学和结构力学系统，还可以模拟短暂或瞬时动态问题及高度非线性问题。 (2)具备丰富的单

16、元库和材料模型库。ABAQUS的单元种类繁多，大约有500种。ABAQUS还拥有的模拟功能，能够针对特殊问题构建的特种单元。 (3)操作简单。ABAQUS具有强大的后处理功能。可以根据材料属性设定材料参数、添加作用荷载及边界条件、模拟接触碰撞关系、有效网格划分并进行结果后处理等问题。3.3 ABAQUS在水利工程中的应用ABAQUS软件在水利水电工程中的应用越来越广泛，ABAQUS软件在模拟各种材料和形式的坝体、水电站蜗壳等水工建筑物时相比于其他有限元分析软件来说具有很大优势。ABAQUS软件可以模拟施加各种荷载，比如静水压力、扬压力、重力场、温度场等的作用，可以模拟混凝土裂缝的形态以及发展过

17、程。ABAQUS在水利水电工程中的主要应用如下：（1）应用在施工仿真方面 通过使用参数化设计语言，ABAQUS能够实现施工仿真，通过记录混凝土龄期以及激活单元组操作来表明浇筑层的完成，用循环过程实现按顺序浇筑过程的仿真。（2）应用在体型优化设计中 大坝设计中如何实现大坝体型的优化设计是非常重要的，ABAQUS软件的软件包中包含了拓扑优化模块ATOM(Abaqus Topology Optimization Module)，该模块配合Python，能够对拱坝以及其它坝型进行体型优化设计。（3）应用在渗流仿真和模拟复杂坝基中 ABAQUS中的热分析模块能够实现渗流仿真、稳态和非稳态渗流场仿真分析等

18、。ABAQUS能和其它软件连通，连通后，其它软件中的模型就能很方便的直接导入ABAQUS中进行分析计算。（4）应用在抗震设计中 ABAQUS可进行动力分析，可进行结构自振特性的分析，确定结构各部件的自振频率；谱分析以及谐响应分析，可做抗震分析并求解地震作用下的最大反应值；模态分析和动力时程分析，坝体在地震作用下的抗震以及开裂分析等。3.4 动力时程分析法在ABAQUS中的应用 拱坝的动力分析中，需要对动位移、动应力以及坝体加速度等地震响应进行分析计算，这些问题在ABAQUS软件中都可以得到解决。ABAQUS软件采用直接和间接的方法计算这些问题。从而可以观察地震中结构内力的变化，并且可以考察构件

19、从开裂到损坏的全过程。 输入不同地震波加速度时程曲线，将会有不同的地震反应，时程分析法计算的结果也不同。时程分析法分析拱坝地震反应时，在ABAQUS中的操作如下： （1）首先在ABAQUS软件中建立三维有限元模型，对建好的模型进行有限元计算网格划分，下一步需要设置材料的属性，接下来就是需要施加静力荷载，建立Step分析步生成Job，并进行计算，输出各个单元的平均有效应力； （2）以静力计算结果为基础，接下来就可以进行拱坝的动力分析计算。 （3）ABAQUS可以设置接触，这个接触就可以模拟横缝作用，横缝设置完毕后，输入地震波时程曲线，计算后，得到动态分析的结果；4 混凝土高拱坝整体模型构建及静力

20、分析4.2 拱坝基本资料4.2.1 拱坝几何参数 拱坝拱圈参数见表4.1。4.2.2 拱坝材料物理力学参数(1) 混凝土容重： 24KN/m3；弹性模量： 24GPa；泊松比： 0.167；线膨胀系数： 1.010-5/；导温系数： 3.0m2/月。4.3 作用荷载及计算工况4.3.1 作用荷载(1)自重坝体混凝土容重24KN/m3。(2)静水压力静水压力垂直作用于上游坝体表面，上游水位决定静水压力的大小。静水压力的施加沿竖直方向施加一个梯度荷载，经计算，斜率为9800N/m3，水面压力设置为0.水库的特征水位如下:项 目水位(m)正常蓄水位825.00 （3）地震荷载地震动参数 坝址区地震基

21、本烈度为VIII度，按100年基准期内超越概率2%的水准设防，相应坝址基岩水平峰值加速度为450.8gal，竖向加速度取300.5gal。本次研究中校核地震按100年基准期内超越概率1%相应坝址基岩水平峰值加速度为534.4gal。 选取地震波，按与反应谱分析同样的设计基岩峰值加速度；按标准反应谱生成的人工模拟地震波；图 4.1 横河向归一化地震波图 4.2 顺河向归一化地震波图 4.3 垂直向归一化地震波设计反应谱 标准反应谱与场地谱对比图见图。场地为一类场地，相应特征周期为0.2s，反应谱最大值max=2.5。图4.4 白鹤滩坝址场地谱与标准谱对比图4.3.2 计算工况分析计算考虑的主要荷

22、载：坝体自重;静水压力;地震荷载。4.4 拱坝有限元计算模型为了考察拱坝有无扩大基础对位移应力变化规律的影响，建立了白鹤滩拱坝的有限元模型，建立有限元模型时，对大坝进行了简化，但要求坝体与坝基的外形尺寸需与实际保持一致。建立符合坝体尺寸形状要求的三维有限元模型，之后进行单元网格划分。坝段之间设置横缝，横缝对拱坝的动力反应影响显著，所以在有限元分析中需要模拟横缝。采用软件ABAQUS计算分析拱坝的静动力反应，利用接触模型模拟横缝。静力分析坝体有限单元网格分布见图4.5和图4.6。图4.4坝体上游面计算模型网格图4.5坝体下游面计算模型网格5 混凝土拱坝动力分析5.1 计算模型与计算参数5.1.1

23、 有限元动力计算模型为了解拱坝在地震作用下的动力特性，本设计中，在静力分析之后，以静力分析计算的结果为基础，设置施加地震荷载，进行动力响应分析。 由于横缝对坝体的应力的分布影响较大，所以为了计算分析的结果更加的准确，需要设置横缝，模型中利用接触模拟横缝效应，模型共设置11条横缝。靠近横缝接触面区域的应力也有明显的变化。本次动力计算模型考虑坝块之间设置的横缝对坝体动力响应的影响，采用有横缝拱坝模型。5.1.2 计算参数 坝体动力反应计算是在静力计算的基础上考虑地震荷载。采用100年超越概率2%概率水准的模拟地震曲线进行分析。基岩输入地震垂直向峰值加速度取水平向峰值加速度的2/3。 地震加速度时程

24、曲线如图所示，调整水平向加速度峰值为0.4g，竖直向加速度峰值取水平向的2/3即0.267g。进行一次时程分析时，动力分析时，取30s的加速度值计算，时间间隔为0.01s，沿坝基底部岩体输入地震波。图 5.1 横河向归一化地震波图 5.2 顺河向归一化地震波图 5.3 垂直向归一化地震波 5.2 坝体地震荷载作用下的时程分析 动力分析中，对拱坝应用时程分析，得到拱坝的位移应力图。 根据学者们以往的动力模型破坏研究结果得知，拱坝在动力破坏时，最容易发生裂缝的部位就是坝基及拱坝中部，其他抗震薄弱部位在拱坝1/3及1/2坝高的两岸坝肩处。下面是对有扩大基础和无扩大基础两种工况下的位移以及应力分析：5

25、.2.1 有扩大基础位移分析 工况:正常水位工况下，坝体的顺河向最大位移图、横河向最大位移图、竖直向最大位移图，如图所示。图 5.4 扩大基础及垫座横河向位移最大值上游面(单位：m)图 5.5 扩大基础及垫座横河向位移最大值下游面(单位：m)图 5.6 扩大基础及垫座横河向位移最小值上游面(单位：m)图 5.7 扩大基础及垫座横河向位移最小值下游面(单位：m)图 5.8 扩大基础及垫座顺河向位移最大值上游面(单位：m)图 5.9 扩大基础及垫座顺河向位移最大值下游面(单位：m)图 5.10 扩大基础及垫座顺河向位移最小值上游面(单位：m)图 5.11 扩大基础及垫座顺河向位移最小值下游面(单位

26、：m)图 5.12 扩大基础及垫座垂直向位移最大值上游面(单位：m)图 5.13 扩大基础及垫座垂直向位移最大值下游面(单位：m)图 5.14 扩大基础及垫座垂直向位移最小值上游面(单位：m)图 5.15 扩大基础及垫座垂直向位移最小值下游面(单位：m) 由图可以看出，坝体顺河向位移最大位移出现在垫座底部，在点5处最大，位移极值为11cm，最小顺河向位移出现在垫座高程720m的位置，在点6处有最小值，位移极值为-8.6cm，最小横河向位移出现在垫座高程720m和536m附近，在点6处有最小值，位移极值为-7.4cm。最大竖直向位移出现在垫座高程720m和610m附近，在点3处有最大值，位移极值

27、为3cm，最小竖直向位移出现在垫座660m和580m附近，在点5处有最小值，位移极值为3.6cm。5.2.2 无扩大基础结构位移分析 工况:在正常水位工况下，坝体顺河向最大位移图、横河向最大位移图，如图所示。图 5.16垫座顺河向位移最大值上游面(单位：m)图 5.17垫座顺河向位移最小值上游面(单位：m)图 5.18垫座横河向位移最大值上游面(单位：m)图 5.19垫座横河向位移最小值上游面(单位：m) 由图可以看出，坝体顺河向位移最大位移出现在垫座底部附近，在点9处最大，位移极值为83cm，最小顺河向位移出现在垫座顶部，高程830m附近，在点1处有最小值，位移极值为0cm，最大横河向位移出

28、现在垫座高程580m附近，在点8处有最大值，位移极值为127cm最小横河向位移出现在垫座右侧高程610m附近，在点8处有最小值，位移极值为-2.15cm。5.2.3 有扩大基础结构应力分析 工况:有扩大基础在正常水位工况下，坝体的主拉应力分布图、主压应力分布图、拱向应力分布图、梁向应力分布图，如图所示:图 5.20 扩大基础及垫座上游面主拉应力分布图图 5.21 扩大基础及垫座下游面主拉应力分布图图 5.22 扩大基础及垫座上游面主压应力分布图图 5.23 扩大基础及垫座下游面主压应力分布图图 5.24 扩大基础及垫座上游面拱向应力最大值分布图图5.25 扩大基础及垫座下游面拱向应力最大值分布

29、图图 5.26 扩大基础及垫座上游面拱向应力最小值分布图图 5.27 扩大基础及垫座下游面拱向应力最小值分布图图 5.28 扩大基础及垫座上游面梁向应力最大值分布图图 5.29 扩大基础及垫座下游面梁向应力最大值分布图图5.30 扩大基础及垫座上游面梁向应力最小值分布图图 5.31 扩大基础及垫座下游面梁向应力最小值分布图 由图可以看出，有扩大基础情况下，最大拉应力出现在垫座810m高程附近，在点6处最大，拉应力极值为3MPa。 由图可以看出，坝体的最大主压应力出现在垫座左侧高程575m和790m附近，在点2处有最大值，压应力极值为-20MPa。5.2.4 无扩大基础结构应力分析 工况:在正常

30、水位工况下，坝体的梁向应力分布图、拱向应力分布图、主压应力分布图，如图所示:图 5.32垫座梁向最大应力分布图上游面(单位：Pa)图 5.33垫座梁向最小应力分布图上游面(单位：Pa)图 5.34垫座拱向最大应力分布图上游面(单位：Pa)图 5.35垫座拱向最小应力分布图上游面(单位：Pa)图 5.36垫座主压应力分布图上游面(单位：Pa) 由图可以看出，无扩大基础情况下，坝体的最大主压应力出现在垫座外沿左侧高程640m附近，在点1处有最大值，压应力极值为-30MPa。 由图可以看出，最大的梁向应力出现在垫座外沿左侧高程640m附近，在点1处有最大值，梁向应力极值为-3MPa。最小梁向应力出现

31、在垫座内沿左侧高程640m和830m附近，在点8处有最大值，梁向应力极值为-2MPa。 由图可以看出，最大的拱向应力出现在垫座内沿高程540m附近和垫座外沿左侧高程640m附近，在点6处有最大值，拱向应力极值为2.59MPa。 与有扩大基础的工况拉、压应力计算结果对比发现，有扩大基础工况下拱坝的压应力极值有所降低，对大坝有保护的作用。所以建设拱坝时采取扩大基础对大坝有一定的保护作用。5.3 拱坝损伤图分析5.3.1 有扩大基础损伤图图 5.37 D-D截面损伤分布、梁向应力（MPa）最大值、最小值分布图图 5.38 扩大基础及垫座建基面上游面损伤分布图图 5.39 扩大基础及垫座建基面下游面损

32、伤分布图 由图可知，有扩大基础工况下，上游面损伤最大值为0.2，下游面损伤最大值也为0.2.5.3.2 无扩大基础损伤图图 5.40上游面损伤最大值分布图图 5.41下游面损伤最大值分布图由图可知，无扩大基础工况下，上游面损伤最大值为0.314，在高程为610m坝基处，下游面损伤最大值为0.4，在高程为720m坝基处。对比有扩大基础和无扩大基础两种工况发现，无扩大基础时，地震对上下游面的损伤破坏非常的大，需要设置相应的措施来避免因为损伤过大而引起的大坝的失稳。经分析，可以采用配置梁向钢筋的抗震措施，对于梁向钢筋的抗震措施，从抵御坝体损伤断裂方面考虑，可以有效地减弱损伤断裂程度以及损伤开裂的范围

33、，在地震的过程中对保证坝的整体性效果显著。因此，建议设计单位对白鹤滩拱坝在坝体中上部的上、下游坝面配置梁向钢筋作为抗震加固措施。6 抗震措施的设计对比有扩大基础和无扩大基础工况下拉、压应力计算结果发现，有扩大基础工况下拱坝的压应力极值有所降低，对大坝有保护的作用。所以建设拱坝时采取扩大基础能够有效抵御地震荷载的作用。对比有扩大基础和无扩大基础两种工况下的损伤图发现，无扩大基础时，地震对上下游面的损伤破坏非常的大，必须要设置相应的措施来避免因为损伤过大而引起的大坝的失稳。经分析，可以采用配置梁向钢筋的抗震措施，对于梁向钢筋的抗震措施，从抵御坝体损伤断裂方面考虑，可以有效地减弱损伤断裂程度以及损伤开裂的范围，在地震的过程中对保证坝的整体性效果显著。因此，建议设计单位对白鹤滩拱坝在坝体中上部的上、下游坝面配置梁向钢筋作为抗震加固措施。根据以往的工程经验，拱坝中上部的拉应力比较大，需要对这部分进行配筋，直接根据过去的工程经验进行配筋图的绘制，在坝体的上下游面的中间上部2/3处配置两层直径为32mm的钢筋，钢筋间距为200mm。参 考 文 献1朱伯芳，高季祖，历易生，陈祖煌等.拱坝设计与研究M.北京:中国电力出版社，20012混凝土拱坝设计规范(SL282-2003) S.中华人民共和国水利部,20033刘光延.碾压混凝土拱坝研究实践M.黄河水利出版社，2004.104翟利军.复