水工建筑物重力坝应力总结分析课件

1、水工建筑物重力坝应力总结分析水工建筑物重力坝应力总结分析2.5 重力坝的应力分析(stress analysis)概述应力分析方法模型实验法（不讲）理论分析法材料力学法弹性力学理论法（不讲）有限差分法（不讲）有限单元法（不讲）应力控制标准各种因素对坝体应力的影响2.5 重力坝的应力分析(stress analysis)应力分析的目的：检验大坝在施工期和运行期是否满足强度要求。为研究解决设计和施工中的某些问题提供依据。（如：大坝断面的设计、混凝土标号分区和某些部位的配筋等）重力坝的应力状态与很多因素有关. 如：坝体轮廓尺寸、静力荷载、地基性质、施工过程、温度变化以及地震特性等。一、概述返回应力分

2、析的目的：一、概述返回二、材料力学法(gravity method)1. 基本假定：坝体混凝土为均质、连续、各向同性的弹性材料；视坝段为固接于地基上的悬臂梁，不考虑地基变形对坝体应力的影响，并认为各坝段独立工作，永久横缝不传力；假定坝体水平截面上的正应力按直线分布，不考虑廊道等对坝体应力的影响。二、材料力学法(gravity method)1. 基本2.荷载与应力的正方向规定(Sign convention diagram: forces,moments and shears):材料力学法（续）水平力垂直力力矩顺河向重力方向荷载正方向的规定如图所示，水平力以逆河向为正，垂直力以沿着重力放心为正

3、。应力正方向的规定如图所示，如果一个面的外法线方向平行与坐标轴，则该面上正应力规定为逆坐标轴方向，剪应力规定为顺坐标轴方向。xy2.荷载与应力的正方向规定(Sign convention 3. 边缘应力(Stresses on faces)计算 在一般情况下，坝体的最大和最小应力都出现在坝面，所以，在重力坝设计规范中规定，首先应校核坝体边缘应力是否满足强度要求。 一般说来，我们要校核以下几种应力：材料力学法（续）垂直正应力剪应力水平正应力主应力有扬压力的边缘应力计算3. 边缘应力(Stresses on faces)计算 1）垂直正应力(vertical normal stress): 因为假

4、定y按直线分布，所以可按偏心受压公式计算上、下游边缘应力yu和yd 。 边缘应力计算（续） (kPa) (kPa) 式中 W作用于计算截面以上全部荷载的铅直分力的 总和(kN); M作用于计算截面以上全部荷载对截面垂直水 流流向形心轴的力矩总和(kN.m)； B计算截面的长度(m)返回1）垂直正应力(vertical normal stress2）剪应力(Shear stress)： 已知yu和yd 以后，可以根据边缘微分体的平衡条件解出上、下游边缘剪应力u和d 。由上游坝面的微分体，根据Fy=0得 返回边缘应力计算（续）式中 pu上游面水压力强度； n上游坝坡坡率，n=tgu，式中 pd下游

5、面水压力强度； m下游坝坡坡率，m= tgd 同样：2）剪应力(Shear stress)：返回边缘应力计算（续3）水平正应力(Horizontal normal stress)： 返回边缘应力计算（续） 已知u和d 以后，可以根据平衡条件Fx=0求得上、下游边缘的水平正应力xu和xd 。3）水平正应力(Horizontal normal stre4）主应力(principal stress)： 由上下游坝面微分体的平衡条件Fy=0，可解出 ：返回边缘应力计算（续）各符号意义见图4）主应力(principal stress)： 思考： 上面的计算显然都没有涉及扬压力，但很显然，对于重力坝来说扬

6、压力是一个非常重要的荷载，请思考如果考虑扬压力，边缘应力应该怎么计算？边缘应力计算（续）5）有扬压力的边缘应力计算：思考：边缘应力计算（续）5）有扬压力的边缘应力计算：4. 坝内应力(internal stress)计算 如图所示，显然微分体的平衡方程(equilibrium)为 材料力学法（续） 下面，我们分别来计算其中的各个应力分量4. 坝内应力(internal stress)计算 1）垂直应力y 对于垂直应力，我们假定y在水平截面上按直线分布，即 y a+bx 坝内应力计算其中： 1）垂直应力y 对于垂直应力，我们假定y在水平 2）剪应力 利用平衡方程，经积分并利用边界条件可以得出 =

7、a1+b1x+c1x2 坝内应力计算其中： 2）剪应力 利用平衡方程，经积分并利用边界条件 3） 水平应力x 同样利用平衡方程，经积分并利用边界条件可以得出 ：坝内应力计算其中： 3） 水平应力x 同样利用平衡方程，经积分并 4）坝内主应力 求得任意点的三个应力分量x、y和以后，即可计算该点的主应力和第一主应力的方向 坝内应力计算 4）坝内主应力 求得任意点的三个应力分量x、坝内应力计算 在坝体内部，其实应力分布还是比较复杂的，右图给出了各种应力的分布情况：返回坝内应力计算 在坝体内部，其实应力分布还是比较复杂的，右三、 应力控制标准(permissible stress)混凝土容许压应力，等

8、于其极限强度除以相应的安全系数。 规范规定：混凝土的抗压安全系数在基本组合情况下不小于4.0，在特殊组合情况下(地震情况除外)不小于3.5。当坝体个别部位有抗拉强度要求时，可提高混凝土的抗拉标号，抗拉安全系数不小于4.0。地震作用 地震作用是一种发生概率极小的荷载，由于在动荷载作用下材料强度有所提高，所以，在抗震计算中，混凝土坝的动态抗压强度和动态弹性模量的标准值可较其静态标准值提高30，动态抗拉强度的标准值可取为动态抗压强度标准值的8，故容许拉、压应力也可作相应的提高。三、 应力控制标准(permissible stress)混1. 坝基面的正应力（1）运用期： 在各种荷载组合下(地震荷载除

9、外)，坝基面的最大竖向正应力ymax应小于坝基容许压应力(计算时分别计入和不计入扬压力)；最小竖向正应力ymin应大于零(计算时应计入扬压力)。应力控制标准1. 坝基面的正应力（1）运用期：应力控制标准（2）施工期： 下游坝面允许有不大于O.1MPa的拉应力。地基容许压应力取岩石试块(通常为5cm5cm5cm)极限抗压强度的1/251/5，视岩体的具体情况而定。对于强度高，但节理、裂隙发育的基岩，采用1/251/20；对于中等强度的基岩采用1/201/10；对于均质且裂缝甚少的软弱基岩及半岩石地基采用1/101/5；对于风化岩基，按其风化程度，应将其容许压应力降低2550。应力控制标准1. 坝

10、基面的正应力（2）施工期：应力控制标准1. 坝基面的正应力2. 坝体应力 （1）运用期 坝体上游面的最小主应力要考虑两种控制标准：在作用力中计入扬压力时，要求0，即为压应力；当作用力中不计入扬压力时，要求 0.25h 。 坝体下游面的最大主压应力，不得大于混凝土的容许压应力。应力控制标准2. 坝体应力 （1）运用期应力控制标准（2）施工期 坝内主压应力不得大于混凝土的容许压应力，在坝的下游面可以有不大于O.2MPa的主拉应力。应力控制标准2. 坝体应力 返回（2）施工期 坝内主压应力不得大于四、各种因素对坝体应力的影响1、纵缝对坝体应力的影响 由于坝体往往很大，不可能统舱浇注，所以往往设有纵缝

11、。但在每一个坝块上，应力仍可假定为直线分布，这样应力分布图就由若干段直线组成，如图所示。四、各种因素对坝体应力的影响1、纵缝对坝体应力的影响 2、分期施工对坝体应力的影响 各种因素对坝体应力的影响2、分期施工对坝体应力的影响 各种因素对坝体应力的影响3、地基变形模量对坝体应力的影响空库各种因素对坝体应力的影响3、地基变形模量对坝体应力的影响空库各种因素对坝体应力的3、地基变形模量对坝体应力的影响满库各种因素对坝体应力的影响3、地基变形模量对坝体应力的影响满库各种因素对坝体应力的4、坝体混凝土分区对坝体应力的影响 各种因素对坝体应力的影响4、坝体混凝土分区对坝体应力的影响 各种因素对坝体应力的影

12、响本节完本节完2.6 分缝、分块及温度控制重力坝的分缝、分块 重力坝施工期温度控制（temperature control）的目的、要求和措施（见下一讲）2.6 分缝、分块及温度控制重力坝的分缝、分块 一、重力坝的分缝、分块 横缝垂直坝轴线，用于将坝体分成为若干个独立的坝段，其作用是：减小沿坝轴向的温度应力、适应地基不均匀变形和满足施工要求。如：混凝土浇筑能力及温度控制等。 横缝间距(即坝段宽度)一般为1220m，也有用到24m左右的，主要取决于地基特性、河谷地形、温度变化、结构布置和浇筑能力等。 横缝有永久性的和临时性的两种。(一)横缝(structural joints):一、重力坝的分缝

13、、分块 横缝垂直坝轴线，用于将坝 1.永久性横缝 永久性横缝常做成竖直平面，不设键槽，缝内不灌浆，以使各坝段独立工作。 根据地基和温度变化情况，一般在坝体内1-2cm的缝，如果基岩良好，可以不留间隙，缝面不凿毛，但需设止水。 重力坝的分缝、分块横缝 1.永久性横缝重力坝的分缝、分块横缝 2. 临时性横缝 临时性横缝主要用于下述几种情况：河谷狭窄，做成整体式重力坝，可在一定程度上发挥两岸山体的支撑作用，有利于坝体的强度和稳定；岸坡较陡，将各坝段连成整体，可以改善岸坡坝段的稳定性；座落在软弱破碎带上的各坝段，连成整体后，可增加坝体刚度；在强地震区，将各坝段连成整体，可提高坝体的抗震性能。 临时性横缝的缝面应设置键槽和灌浆系统。 重力坝的分缝、分块横缝 2. 临时性横缝重力坝的分缝、分块横缝 (二)纵缝（longitudinal joints)： 若混凝土坝的厚度超过40m，为了减小施工期顺河向的温度应力，并适应混凝土的浇筑能力，常在平行坝轴线方向设纵缝，将一个坝段分成几个坝块，待温度降到稳定温度或较低温度后再进行接缝灌浆。 纵缝按其布置型式可分为，铅直纵缝、斜缝和错缝三种。 重力坝的分缝、分块纵缝 (二)纵缝（longitudinal joints)：重力坝1. 铅直纵缝 这是最常采用的一种纵缝形式。缝的间距根据混凝土浇筑能力和温度控制要求确定，