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拱壩因其投資較省，超載潛力大，適于建造在狹窄深切河谷，在我國的高壩建設(shè)中占有重要位置。目前我國在建或擬建的拱壩中，溪洛渡、錦屏一級、白鶴灘等拱壩壩高均在250 m以上，其安全性能不容忽視，一旦失事，將對國民經(jīng)濟和人民生命安全構(gòu)成重大威脅，甚至影響社會穩(wěn)定。高拱壩體型較薄，受力復(fù)雜，以往工程經(jīng)驗少，因此對其受力狀態(tài)進行準(zhǔn)確評估尤為重要。我國現(xiàn)行拱壩設(shè)計規(guī)范規(guī)定，拱壩應(yīng)力分析主要采用拱梁分載法和有限元分析法。
拱梁分載法采用平截面假定，嚴(yán)格意義上應(yīng)為徑向纖維直線假定，因其相應(yīng)的應(yīng)力控制準(zhǔn)則經(jīng)歷了長期的實踐檢驗，是現(xiàn)行規(guī)范推薦的基本方法，但其對特殊體型和壩基的計算靈活性不足，有限元法建模方便，使用靈活，能夠應(yīng)用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析，已迅速發(fā)展成為壩工設(shè)計的一個重要手段。但有限元法的應(yīng)力成果，特別是起控制作用的建基面附近的壩體應(yīng)力，隨著網(wǎng)格的密度、單元形式、是否有薄層單元及薄層單元的大小等因素的變化而明顯不同。為解決有限元應(yīng)力成果的穩(wěn)定問題，一些學(xué)者提出了等效應(yīng)力法，其基本思想是將有限元計算的應(yīng)力分量沿斷面積分得到內(nèi)力，然后用材料力學(xué)法計算斷面上的應(yīng)力分量。隨后還提出利用內(nèi)力平衡的條件予以調(diào)整，并推廣到非線性層次。
鑒于分載法和有限元法各自的優(yōu)點，本研究提出了一種帶有分載法基本假定的有限元計算方法，用于拱壩的應(yīng)力分析。該方法通過插入剛性單元和設(shè)定自由度耦合約束兩種途徑，將徑向纖維直線假定引入有限元計算中。該方法可以克服分載法對復(fù)雜壩基、復(fù)雜結(jié)構(gòu)形式(如墊座、大孔口、局部貼厚等)模擬的局限性，無需設(shè)置過渡單元，能夠克服等效應(yīng)力有限元法結(jié)果對邊界過渡單元選取敏感性的缺陷。
研究通過選取白鶴灘1/3壩高處典型拱圈(概化為單心等厚圓拱圈)和某一簡化的等厚單曲拱壩作為算例，利用大型通用軟件ANSYS，進行基于徑向纖維直線假定的拱壩有限元應(yīng)力分析探討，并與拱圈的結(jié)構(gòu)力學(xué)法解析解以及拱壩的分載法成果作了對比。
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