论拱坝应力控制标准

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论文字数:**** 论文编号:lw202385135 日期:2024-11-16 来源:论文网

摘要:实践经验表明,我国现行混凝土拱坝设计规范存在下列问题:允许应力与建筑物重要性无关,允许主拉应力与混凝土强度无关,拱坝应力分析主要采用多拱梁法和有限元法,但同一拱坝用不同多拱梁法程序计算的结果并不一致,尤其是拉应力相差较多,有限元法具有较强计算功能,但由于应力集中,计算的应力值很大,缺乏合适的应力控制标准。通过对影响拱坝允许应力的各项因素进行较深入的分析,本文提出了一套新的拱坝应力控制标准,使上述各问题都得到了解决。

关键词:拱坝 允许压应力 允许拉应力 有限元法

 1 前言

  允许应力对于拱坝的经济性和安全性具有决定性的影响。《混凝土拱坝设计规范 SD145-85》[1]自1985年颁布以来,在指导我国拱坝设计方面发挥了重要作用,但十几年的实践经验说明,现行规范也存在着下述问题:①允许应力与建筑物重要性无关,设计一座坝高200m、库容几百亿m3的大拱坝与一座坝高30m、库容几百万m3的小拱坝,尽管库容相差上万倍,但采用的应力控制标准相同,显然是不合理的。②允许主拉应力与混凝土强度等级无关,对于C35混凝土与C25混凝土,允许拉应力完全相同,明显不合理。③多拱梁法是设计拱坝体形的主要方法,但同一拱坝用不同程序计算的结果并不一致,尤其是拉应力相差较多,而对于高度150m以下的拱坝,允许拉应力往往是断面设计的控制因素,不同程序算出结果不同,难以处理。④有限元法具有较强的功能,但由于应力集中,算出的应力数值往往很大,缺乏合适的应力控制标准。

  本文首先研究有限元法的应力控制标准,然后对影响拱坝允许应力的各项因素进行深入的分析,在理论分析和总结国内外拱坝建设实践经验的基础上,提出一套新的拱坝应力控制标准,使上述各问题都得到了较好的解决。本文是“九五”国家科技攻关《高拱坝问题研究》(编号96-221-04)研究成果的一部分,参加工作的还有董福品、杨波、李雪春、许平、王树和、邹丽春等同志。

  2 有限元等效应力法

  有限元计算功能很强,但由于存在应力集中现象,过去没有合适的应力控制标准,计算结果只能供设计参考,不能作为设计依据。我们研究了以下两种有限元应力控制方法。

  2.1 限制拉应力范围

  限制拉应力范围不超过坝体厚度的15~20%,不限制应力数值,我们计算过13个已建拱坝,发现只有一个拱坝能满足这一要求,而且不少拱坝冬季上部全断面受拉,这些工程都已正常运行多年。另外,有限元计算的压应力也有应力集中现象,因此这一方法是不可行的。

  

  3 拱坝设计应力

  今将拱坝在设计荷载作用下在坝内产生的应力称为设计应力。

  3.1 拱坝设计应力表达式

  

  

   

  

  

  拱坝接缝是自下而上分区进行灌浆的,因此拱坝是自下而上逐步形成整体的,这一过程对自重应力有相当大的影响,目前工程设计中用有限元计算坝体应力时,往往忽略了这一因素而按整体计算自重应力。我们用三维有限元法对小湾拱坝进行了计算,一种是不考虑过程,自重按整体计算,最大主拉应力为3.80MPa(有限元等效应力);另一种是考虑过程,接缝分9步灌浆,最大主拉应力减小到1.54MPa。可见考虑过程计算自重后,最大主拉应力减小2.26MPa,坝踵受拉范围也明显减小(见李雪春、朱伯芳、高永梅等,过程、岩面水压及横缝对拱坝应力的影响,中国水电科学院,2000年5月)。

  实践经验表明,经过灌浆的横缝,可以很好地传递压应力,但很难有效地传递拉应力。横缝不抗拉使拱的拉应力得到部分释放,拱的变位增加,从而对拱坝整体应力状态产生影响。我们用非线性三维有限元对小湾拱坝应力状态进行了分析,完全模拟实际工程,坝内设置了47条横缝,两条横缝之间设两个实体元,横缝用缝单元模拟,分别对横缝抗拉(线弹性)与横缝不抗拉(非线性)进行了计算,计算结果发现,横缝不抗拉只对横缝附近拱向应力有影响,对整体应力状态影响极小,上、下游面最大主拉应力和最大主压应力几乎没有变化,过去有人认为,因为有横缝,拱坝内拉应力几乎不存在,现在看来这种认识是不符合实际的。总之,横缝对拱向应力的影响较大,对整体应力的影响较小,当横缝受拉深度较小时,对整体应力的影响很小,但当横缝受拉深度很大时,横缝对整体应力的影响可能相当大,例如,严寒地区的薄拱坝以及拱坝在低水位遇强烈地震时,横缝影响均不容忽视。

  

  4 混凝土可用强度

  拱坝内部应力是三维的,但控制应力多在上下游面近基础部位,该处受力条件较复杂,但3个主应力中往往有1个甚至2个是拉应力或很小的压应力,因此采用单轴强度作为控制标准较为合适。

  《混凝土设计规范DL/T 5057-1996》[5]定义混凝土强度等级C为15cm立方体试件28d龄期95%保证率的抗压强度,与目前规定相比,变动较大。根据我国的实际情况,作者认为对于大坝混凝土,定义混凝土强度等级C90为15cm立方体试件90d龄期80%保证率的抗压强度比较合适。

  4.1 混凝土可用强度表达式

  实际工程中的混凝土强度与室内小试件强度有重大差别,影响因素包括试件形状寸、湿筛、使用龄期及时间效应等,在决定混凝土可用强度时,应考虑这些因素的影响。

  混凝土可用抗压强度表示如下:

  

  4.4 持载时间效应系数b3

  加荷速率对混凝土强度有较大影响,加荷越快,强度越高;反之,加荷越慢,强度越低。通常室内混凝土强度试验,试件是在1~2min内破坏的,而实际工程的持荷时间长达数十年,远远超过1~2min。荷载持续时间的长短对混凝土强度的影响见表5[8]。

  混凝土还存在疲劳问题,试验结果表明,在大量反复荷载作用下,干燥混凝土的破坏强度只有短期加荷强度的50%~55%,5000次反复荷载作用下混凝土强度只有常规加荷时强度的70%,潮湿混凝土的疲劳强度略低于干燥混凝土。对于拱坝,自重是恒定荷载,水位是在最高水位与最低水位之间变化,准稳定温度场是反复变化的,初始温差是恒定的,情况比较复杂。综合考虑上述情况,建议取持荷时间效应系数b3=0.70。

  

  

  

  6 结语

  (1)现行拱坝设计规范中,设计标准与建筑物重要性无关,允许主拉应力与混凝土强度无关,应力控制标准与计算方法和无关,这些都不够合理。

  (2)本文对影响拱坝应力控制标准的诸多因素进行了较深入的分析,在此基础上提出了一套新的拱坝应力控制标准,取基本抗压安全系数为4.0,基本抗拉安全系数为2.10,以系数b 解决计算方法和的差异,以系数a1考虑荷载组合,以系数a2考虑拱坝重要性,这样就克服了现行拱坝设计规范中的前述缺点,而且计算方法简便,与国内外已有工程对比,也是切实可行的。

  参 考 文 献

  
1 SD145-85,混凝土拱坝设计规范[S]。

  2 朱伯芳。国际拱坝学术讨论会综述[J]。混凝土坝技术,1987,(2)。

  3 GB 50199-94,水电工程可靠度设计统一标准[S]。

  4 Neville A.M,李国泮等。混凝土性能[M]。北京:中国建筑工业出版社,1983。

  5 DL/T5057-1996,混凝土设计规范[S]。

  6 水电科学研究院材料研究所。大体积混凝土[M]。北京:电力出版社,1990。

  7 刘文彦,叶文瑛等。东江拱坝全级配混凝土力学性能的试验研究[J]。水电技术,1986,(5)。

  8 Troxell G.E and H.E.Davis. Composition and Properties of Concrete [M]. New York: Mc Graw-Hill, 1956.

  9 朱伯芳。大体积混凝土温度应力与温度控制[M]。北京:中国电力出版社,1999。

  On the Allowable Stresses in Arch Dams

  

  Abstract:Experience shows that there are some drawbacks in the Design Specifications of Arch Dams of China: the coefficient of safety is indepent of the importance of the dam, the allowable tensile stress is independent of the tensile strength of concrete, the stresses computed by different programs of multiple arch-cantilever method are different from each other and there is no allowable stresses for finite element method. After thoroughly analyzing various factors influencing the safety of arch dam, a new standard for stress control of arch dams is proposed.

  Key Words: Arch dam, compressive stress, tensile stress, coefficient of safety, mutiple arch-cantilever method, finite element method, usable strength of concrete.

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