混凝土拱坝的强度计算与极限荷载分析

应力分析方法、材料强度理论、安全指标与设计准则是结构强度设计与计算理论的主要内容。在混凝土拱坝强度设计与计算方面,随着拱坝高度的不断增加,传统的强度设计理论已无法满足工程实际的需要。本文结合工程实际,在拱坝有限元应力分析方法与强度设计准则、多轴应力强度安全计算、拱坝极限荷载分析理论和方法等方面开展研究。 引入“分析设计法”中关于应力分类和等效线性化的概念,进一步阐述了有限元等效应力法的原理。通过对5座国内已建成的运行良好的具有代表性的拱坝进行的有限元等效应力分析,研究提出了基于有限元等效应力法的拱坝强度设计准则,准则既保留了规范中关于压应力的强度准则和控制标准,又科学地修正了拉应力强度准则,在容许拉应力的基础上,增加了上下游拉压应力比的指标,解决了单纯的容许拉应力标准无法适用于高拱坝的难题。 分析总结了目前采用的各种点安全系数的定义方式及其相互关系,利用失效点和安全距离的概念,提出了具有明确几何、物理意义,适合于各种加载条件、应力状态和强度理论的点安全系数的一般定义,给出了多轴应力状态下一般安全系数的高效迭代计算方法。以国内某已建成运行的高拱坝作为工程示例,计算了多轴强度下坝体的点安全系数,发现明显地小于传统单轴强度的点安全系数,进一步说明了开展拱坝三轴强度计算的必要性。 建立了基于等参单元的三维结构下限有限元分析格式,改进了K.Krabbenhoft和L.Damkidle的分步Newton算法(算法一),提出了可以利用传统的位移型有限元的存储格式和计算程序的子迭代分步Newton算法(算法二),有效地克服了大规模三维结构极限分析的“维数障碍”,为拱坝等大型三维结构的极限分析提供有力的工具。进一步分析比较了增量弹性应力转移法(算法三)和增量弹塑性渐进法(算法四)之间的关系,指出算法三获得的超载系数比算法四获得的超载系数更接近极限超载系数,建议在实际分析时采用较为简单的算法三。 以黄河拉西瓦拱坝为例,研究有限元等效应力法和极限承载能力分析方法的应用,有效地检验了本文研究内容和成果的正确性和应用于实际工程的可能性。