1.水工建筑物的应力分析与强度计算
重力坝、水闸、渡槽、溢洪道等的强度计算,必然需要计算各水工建筑物及地基在不同载荷组合作用下产生的应力,以便根据强度准则判断该坝是否满足强度要求,而各水工建筑物及地基应力的获得则需要建立相应的力学计算模型和分析方法。材料力学法是常用的方法之一,也是规范规定的方法,又称重力分析法。该计算模型是将重力坝、拱坝、水闸、溢洪道等视为悬臂梁结构,固定在地基上,并假定材料是均质和各向同性的弹性体,截面上正应力为线性分布。然后采用材料力学中的应力分析方法计算各建筑物的应力。该方法是早期提出的近似分析方法,由于它不能考虑坝基变形的影响以及采用的假定不能符合实际情况,其计算的坝体应力显然存在一定的误差,但因其使用方便快捷,又有长期应用的经验,目前仍是一种广泛应用的基本方法,也是各国规范中的推荐方法。
2.水工建筑物构件的结构计算
工作桥、交通桥、心墙、闸门、渡槽、排架、吊车梁等的设计需要用到梁(柱)内力、应力的计算和强度理论。这些构件中的梁在荷载的作用下,既产生应力,同时也发生变形。这些梁不仅需要具有足够的强度,而且其变形不能过大,即必须具有足够的刚度,否则会影响正常使用。如吊车梁若因为荷载过大而发生过度的变形,吊车就不能正常行驶;厂房楼板梁变形过大,会使下面的抹灰层开裂、脱落;直柱受压突然变弯,称其丧失了稳定性,厂房中柱失稳将造成类似房屋倒塌的严重后果;水闸闸门横梁变形过大,会使闸门与门槽之间配合不好,发生启闭困难和严重漏水。在工程中,根据不同的用途,对梁的变形要给以一定的限制,使之不能超过一定的容许值。
3.水工建筑物基础处理
坝体对其基础有严格的要求,首先,它必须具有足够的整体性和稳定性,保证坝体的抗滑安全;其次,必须具有足够的承载能力,不致发生过大的变形、位移和不均匀沉降;此外,还必须有足够的抗渗能力,满足渗透稳定的要求。为此在坝体设计中,必须借助力学手段检验其基础是否满足上述要求;若不能满足,还需采取相应的岩基处理或软基处理措施(如灌浆加固、设置抗滑桩或排水等)。
4.混凝土坝体材料分区
为了充分发挥材料的作用,常常根据坝体不同部位不同的受力状态或不同的工作条件,采用不同标号的混凝土或浆砌石,例如坝踵附近(坝基的上游部位)容易出现拉应力,坝趾附近(坝基的下游部位)往往承受最大的压应力,上下游坝面或孔口周围出现最大拉应力或最大压应力,这些部位的强度要求较高。此外,水位以上坝体外部有抗冻要求;水位以下坝体外部有抗渗、抗侵蚀和强度要求;溢流面混凝土有强度、抗冻、抗冲刷和抗侵蚀要求等。对于这些不同特点的部位应当采用不同标号的材料。
5.坝体的抗滑稳定性分析
为了防止坝体在外载作用下产生整体或局部的滑移,设计时必须进行稳定性分析。坝体的稳定性要求往往是坝体尺寸设计的控制条件。重力坝失稳可能沿建基面滑移,也可能沿岩基中的软弱结构面产生滑移,为了确保重力坝的稳定,对所有可能产生的滑移面均要进行稳定性计算。工程中的抗滑稳定性的定义比较笼统,概括地说,所谓工程的稳定性就是维持考察体平衡的承载能力。丧失了这种能力就称之为失稳。因此,现行重力坝抗滑稳定性的分析方法是:考察一个给定的可能滑面,计算其极限的阻滑力和实际的滑动力,将两者的比值定义为抗滑稳定安全因数K,并作为衡量考察体稳定性的判据:当K<1时为失稳;K>1为稳定;K=1为临界状态。K越大,稳定性越高。
由于工程稳定性的定义介于力学中定义的稳定和强度概念之间,有别于力学中定义的结构稳定性,故对其研究的理论和方法的水平受到限制;加上需要事先依靠经验选定可能的滑动面,而滑动面形状有简单的单斜面,也有复杂的折面或曲面,对滑面上的阻滑力和滑动力的计算又有不同的假定和公式,因此各国根据本国的实践经验制定了相应的规范作为设计的依据。各国规范中分析抗滑稳定性的方法基本上采用刚体极限平衡法。近年来出现变形体模型的有限元法虽比较合理,但限于无规范可循,仅作为重要工程设计的验证和参考。由此看来,工程稳定性问题的研究,需结合水工结构学和力学深入开展。
6.坝体的抗震分析
抗震分析包括动力环境下的变形、强度及稳定分析,其关键是正确地确定地震载荷。已知地震载荷后,就可以用结构的动力分析方法或模型试验方法算出各瞬时的动变形、动应力和动滑动力,然后以其最大值验算坝体的安全性。结构的动力分析在力学的结构动力学中有专门的研究,理论上比较成熟,但在应用上尚有不少难点,如地震引起地面运动的多向性和随机性,地基介质影响的复杂性以及坝体内孔口、分缝、施工质量带来的响应复杂性等,仍有待于做进一步的探讨研究。(www.daowen.com)
7.重力坝剖面的形状设计
重力坝大多采用混凝土或砌石材料修筑。在俯视平面上,重力坝的轴线多半为直线,故在力学分析中,可视其为平面受力问题,即只需计算其中一个典型剖面的变形与应力,根据强度、刚度和稳定性条件进行重力坝剖面形状尺寸的设计。
重力坝的剖面设计,要弄清外部作用的载荷,坝体内部的构造以及坝体的变形、应力等是否满足强度和稳定性的要求。
早期兴建的重力坝剖面均较肥大,轮廓近似梯形(甚至矩形),造成坝体工程量十分庞大。随着对重力坝受力特性认识的提高、设计理论的建立以及结构优化方法的发展,其剖面轮廓逐渐接近于三角形。
重力坝剖面的演变反映了重力坝设计水平的提高,其中起着重要作用的因素是人们基于力学分析掌握了重力坝的工作性态。目前设计重力坝的原则有三条,即:①满足稳定和强度要求,保证大坝安全运行;②外形简单,便于施工,操作方便;③根据结构优化的体形,其工程量最小。在这三条原则中至少有两条是力学提供的依据。
8.重力坝的优化设计
重力坝设计准则之一是在满足大坝安全工作的前提下达到经济的要求,即工程量最小或成本最低等。这就要求采用结构力学中的结构最优设计方法进行优化设计,常选用成本最低(经济)作为设计变量(体型尺寸)的目标函数,在满足几何约束、应力约束、位移约束和稳定约束(安全)等条件下求出最小目标函数值。其解法可用基于泛函极值问题的解析法、数学规划法(线性规划法和非线性规划法等)等。
9.材料力学、结构力学在拱坝中的应用
世界上第一座拱坝是于公元3世纪修建的法国鲍姆(Borm)砌石拱坝,坝高12m,当时人们是凭经验设计的。1854年,法国人采用弹性力学中的圆筒理论设计拱坝,建成了左拉(Zola)砌石拱坝,坝高为42.7m。在1920-1930年,经过美国和瑞士的工程师们多年探索和改进,最后由美国垦务局总工程师萨维奇(J.L.Savage)领导下的一大批专家们提出了基于杆系结构力学模型的拱梁分载理论的试载法,为高拱坝的设计提供了一种可靠实用的方法(至今仍被规范认定为拱坝设计的主要计算方法),并掀起了修建拱坝的第一次高潮。到1936年,美国在科罗拉多(Colorado)河上建成了坝高为221.4m的胡佛拱坝,它是当时全球最高的坝(是之前已建坝体最大高度的2倍),其库容是当时最大的水库埃及阿斯旺(Aswan)水库的8倍,引起世人的注目。在1935-1970年,西欧各国兴建了众多双曲薄拱坝,掀起了全球第二次兴建拱坝的高潮。他们不囿于美国人的拱梁并重概念,而是强化拱的作用。全球兴建拱坝的第三次高潮发生在20世纪70年代的中国,其间中国总共修建533座拱坝,几乎占据全球拱坝总数的一半,一跃成为全世界建造拱坝最多的国家。
拱坝的结构设计包括拱坝轮廓(拱圈和拱冠梁形状以及坝基连接面)布置、拱坝的应力分析和坝肩的稳定分析等。第一项是定形状,后两项是定尺寸或确定地基处理设施。每一项均要保证拱坝具有足够的强度、刚度和稳定性,因此拱坝设计是离不开力学分析的。
由于拱坝形状的多样性(有单曲的,有双曲的,曲线又有不同的形状),地基的复杂性,其力学分析和计算远比重力坝困难。早期拱坝是靠经验设计的;之后才采用了弹性力学的圆筒理论、拱冠梁法(将拱坝离散为由一个拱冠梁和若干个水平拱组成的计算模型)和多拱梁分载法(计算模型为多拱多梁的杆系结构,由拱梁交点变形相容的条件,求出拱和梁各自承担的载荷,最后根据杆件内力公式计算坝体的内力);在20世纪中叶出现了有限元法后,拱坝计算有了比较精确的方法。但工程中的问题远比理论分析中的理想模型复杂,拱坝的设计还需要工程实践的经验作为借鉴。因此,尽管在理论上认为有限元模型比多拱梁模型先进,但由于后者已经在众多拱坝设计中积累了经验,制定了可循的规范,在目前依然是拱坝设计的主要手段。但在大中型坝工设计中,特别是近年的高拱坝(如已建成的二滩、李家峡、溪洛渡和小湾高拱坝等)设计中,有限元计算已成为不可缺少的工具。
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