關(guān)門嘴子水庫重力壩應(yīng)力集中現(xiàn)象分析

李 恒，孫 瑤，張洪雨

(哈爾濱工程大學(xué)，哈爾濱 150001)

關(guān)門嘴子水庫重力壩應(yīng)力集中現(xiàn)象分析

李 恒，孫 瑤，張洪雨

(哈爾濱工程大學(xué)，哈爾濱 150001)

應(yīng)力集中屬于彈性力學(xué)中的一種現(xiàn)象，通常會產(chǎn)生物體局部應(yīng)力突變的情況，一般出現(xiàn)在物體某處形狀突變的部位。為了防止建筑物遭到破壞，在設(shè)計過程中應(yīng)該重點考慮該現(xiàn)象。文章借助ANSYS軟件平臺，利用有限元思想，對關(guān)門嘴子水庫重力壩進(jìn)行靜力結(jié)構(gòu)分析，得到應(yīng)力集中部位應(yīng)力大小值，進(jìn)而檢驗出建筑物結(jié)構(gòu)的合理性與可靠性。

重力壩；應(yīng)力集中；ANSYS軟件平臺；有限元思想

1 工程概況

關(guān)門嘴子水庫位于黑龍江省鶴崗市，水庫壩址位于梧桐河上游，最大壩高34.35m，壩體厚20m，建基面高程為116.02，從高程為141.37處開始起折坡(坡比為1∶0.7)。設(shè)計水位下的上游水位147.50m，下游水位125.62m。壩基表層為第四系松散層，巖性包括粉土質(zhì)砂、卵石混合土、碎石混合土，壩基巖體巖性以安山巖為主夾輝綠巖脈，壩基層不存在軟弱結(jié)構(gòu)層。擋水壩內(nèi)部采用C15混凝土，部分(如迎水面以及應(yīng)力集中部位)采用2.5m厚C25混凝土。為了混凝土壩施工方便，僅布設(shè)一條基礎(chǔ)灌漿排水廊道，同時兼顧安全檢測、檢查維修作用。廊道斷面為3.0m×3.5m城門型，廊道底部設(shè)置0.25m×0.3m排水溝。廊道中心線位于壩軸線下游2.0m處，高程為119.02m[1]。

2 研究目的、背景及意義

關(guān)門嘴子水庫采用混凝土重力壩作為擋水壩，文章選取了第5#壩段作為研究對象，主要通過ANSYS進(jìn)行數(shù)值模擬。由彈性力學(xué)的內(nèi)容可以知道，應(yīng)力集中現(xiàn)象一般出現(xiàn)在物體形狀急劇變化的地方，如缺口、孔洞處。在關(guān)門嘴子水利工程的擋水壩段中，整個重力壩的壩趾、壩踵以及廊道處可能會產(chǎn)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象，進(jìn)而造成大壩局部被破壞，甚至造成整個壩體失穩(wěn)，故在設(shè)計過程中考慮壩踵、壩趾和廊道處的應(yīng)力變化是有必要的。

3 研究內(nèi)容

文章將借助ANSYS軟件平臺，對研究對象進(jìn)行建模，并利用有限元的思想，通過ANSYS的前處理，計算出重力壩一個壩段的內(nèi)部應(yīng)力以及位移，并分析壩趾以及壩踵處的應(yīng)力突變情況，以此來判斷工程是否滿足穩(wěn)定性和可靠性。

4 計算基本假定

1)混凝土、鋼結(jié)構(gòu)材料均假設(shè)為各向同性線彈性材料。

2)材料的物理力學(xué)參數(shù)按設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)值選取。

5 計算模型建立

選擇ANSYS結(jié)構(gòu)(Structural)模塊。設(shè)置ANSYS實體結(jié)構(gòu)單元solid65與solid185單元，solid65單元是混凝土結(jié)構(gòu)單元，對于混凝土重力壩使用該單元，solid185單元用于處理實體單元，整個壩體建模過程中用于地基單元的處理。設(shè)置模型的材料參數(shù)，對于混凝土定義其密度為2500，彈性模量為3×1010，泊松比為0.167，對于地基主要由安山巖以及泥巖碎石組成，定義其彈性模量為1×1010，泊松比為0.31。

建模階段。根據(jù)工程資料的數(shù)據(jù)確定整個重力壩(本次建模過程中選取整個重力壩的15#壩段)的壩高等幾何信息，通過連接特征幾何點，形成二維面，面進(jìn)成體的形式。其中特征點是(0,0,0)、(24.8,0,0)、(7,25.4,0)、(7,34.3,0)、(0,34.3,0)、(59.1,0,0)、(59.1,-34.3,0)、(0,34.3,-20)、(-34.3,0,0)、(-34.3,-34.3,0)、(0,0,-20)、(24.8,0,-20)、(7,25.4,-20)、(7,34.3,-20)、(-34.3,0,-20)、(59.1,0,-20)、(59.1,-34.3,-20)、(-34.3,-34.3,-20)。

施加荷載及約束階段。對壩基上下游兩側(cè)施加水平方向的約束，對壩基底側(cè)施加全方向約束。對于巖基上的重力壩，常見的荷載形式有：自身重力、靜水壓力、揚壓力、土壓力、冰壓力、地震荷載等。根據(jù)工程資料以及計算要求，文章主要主要研究重力壩的自重、靜水壓力以及揚壓力的作用。其中：

1)自重荷載。自重荷載作用于重力壩的重心，以慣性力的形式施加。

2)靜水壓力。靜水壓力分為上游面靜水壓力和下游面靜水壓力，其中上游面靜水壓力垂直作用于壩體的迎水面，上游面與重力壩接觸面垂直。靜水壓力的大小按照水深的不同呈現(xiàn)梯度分布。

3)揚壓力。揚壓力由滲透壓力和浮托力，其中滲透壓力是由于上下游水位差產(chǎn)生的，浮托力是重力壩下游的水壓力，揚壓力呈現(xiàn)梯度分布，揚其作用方向位于壩體底部鉛直向上。

6 計算結(jié)果

利用ANSYS計算結(jié)果，第一、三主應(yīng)力分布圖見圖1-圖2，得到計算應(yīng)力結(jié)果見表1。

圖1 第一主應(yīng)力圖

圖2 第三主應(yīng)力圖

應(yīng)力類型應(yīng)力值第一主應(yīng)力/MPa拉應(yīng)力5 95壓應(yīng)力0 25第三主應(yīng)力/MPa拉應(yīng)力0 45壓應(yīng)力6 46

7 結(jié) 論

由計算所得到的結(jié)果，可以分析得出以下結(jié)論：

1)由云圖結(jié)果可以看出，拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的最大值都出現(xiàn)在廊道處，這是由于廊道處位于重力壩的孔口部位，會出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。根據(jù)表6-1可知，其中第一主應(yīng)力最大值為5.95MPa。最大壓應(yīng)力為0.25MPa，均小于C15和C25混凝土的最大抗拉強(qiáng)度，故抗壓強(qiáng)度均在混凝土最大強(qiáng)度范圍以內(nèi)，但是在廊道以及壩址壩踵部位由于應(yīng)力集中現(xiàn)象的影響，導(dǎo)致局部拉應(yīng)力突變情況，故理論上這些部位可能會發(fā)生局部裂縫現(xiàn)象，應(yīng)該予以重視?？梢圆扇〈胧涸诰植渴┘痈邚?qiáng)度混凝土。

2)在實際工程中，廊道處的應(yīng)力大小與網(wǎng)格密度大小、單元的選擇以及外部環(huán)境影響等很多因素有關(guān)系，當(dāng)極值大于標(biāo)準(zhǔn)值不多且分布范圍不大的時候，可以認(rèn)為不會對重力壩造成危害。

3)從重力壩的應(yīng)力云圖中可以得出結(jié)論，重力壩壩體大多數(shù)處于受壓狀態(tài)，這是由于受到靜水壓力的作用，使得壩體朝著下游方向有力的作用。

4)關(guān)門嘴子水庫重力壩滿足靜力條件下的穩(wěn)定性要求。

[1]溫州,王秀麗,郭佳樂.鶴崗市關(guān)門嘴子水庫大壩穩(wěn)定及應(yīng)力分析[J].黑龍江水利科技,2016(02):41-42，145.

1007-7596(2017)06-0026-02

2017-05-26

李恒(1992-)，男，湖北宜昌人，碩士研究生，研究方向為水利工程；孫瑤(1993-)，女，黑龍江哈爾濱人，碩士研究生，研究方向為水利工程；張洪雨(1957-)，男，黑龍江哈爾濱人，教授，研究方向為水利工程。

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