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水工建筑物--第六章 重力坝应力分析
T——计算截面沿上下游方向的宽度。
从图6-17可知,
M eW
代入下式
y
W T
6M T2
y
W T
6M T2
这个关系式说明: 水平截面的宽度T的中间三分之一是
可得:
当e
T 6
时,
y
0;
“截面核心”,当合力R作用线交于“截 面核心”以内时,上下游边缘的垂直正 应力均为正值,即压应力; 当合力R作用线交于“截面核心”以外 时,靠近交点一侧的边缘上垂直正应力
1
y
psin 2
cos2 u
u
(1 tg2u ) y ptg2u
(1 n2 ) y pn2
同理可得
1 (1 m2 ) y pm2
显然另一主应力即为作用在坝面上的压力强度,分别为:
2 p
2 p
(6)坝体内部应力:用材料力学法计算重力坝的应力时,一般可只计算
边缘应力,如要计算坝体内部应力,可粗略地用内插法,即
① 假定σy 、σx呈直线分布(此假定对坝体上部基本上是正确的); ——σx呈直线分布是根据具体计算得知而简化的
② 对于τ的分布,可用抛物线连接边缘剪应力,使总的水平向剪应力等于
计算截面以上总的水平荷载。即
pdx dy
y
dx dy
( p y )n
同理可得
( y p)m
式中pˊ、 p〞——分别为计算截面处上下游坝 面的水压力强度(如有泥沙压力和地震动水压力 时也应计算在内)。
n、m ——为上下游坝面坡度,n=tgφu, m=tgφd;注意:上游坝面倾向上游时, n为正, 反之为负;下游坝面倾向下游时, m为正。 φu、φd—分别为上下游坝面与铅直面的交角。
(3)边缘水平正应力 σxˊ 和σx〞 (不考虑扬压力)
对于上游坝面A的微元体,取ΣFx =0得:
x dy dx pds cosu 0
x
p
dx dy
p ( p y )n 2
同理可得
x p ( y p)m2
材料力学公式求得该点的主应力σ1、 σ2和第一主应力方向
φ1。
1 x y ( y x )2 2
2
2
2
1
1 2
arctg(
2 y x
)
式中:φ1以顺时针方向为正, σy>σx,自 铅直线量取; σy<σx,自水平线量取。
画主应力矢量图:用“+”字矢量表示各点的主应力大小与
材料力学法结果
准确结果
满库时,当Ec/Er趋于很小时,即地基非常坚硬时,在坝踵及坝趾的σy均
为拉应力,而截面中部的压应力比材料力学法的计算成果(图中虚线表 示)有较大的增加;
当Ec/Er≈1时,下游坝趾的σy有应力集中的趋势; 当Ec/Er趋于很大时,即地基弹性模量很低时, σy不仅在坝趾出现显著
水工建筑物
赖国伟
2020年3月1日
第四节 重力坝的应力分析
重力坝应力分析目的及意义 重力坝应力分析的计算方法 应力分析的材料力学法 各种因素对坝体应力的影响 应力控制标准
第四节 重力坝的应力分析
一、应力分析的目的与方法 1. 目的:
➢ 检验坝体在施工期和运用期是否满足强度方面的要求。 ➢ 为布置坝身材料(如混凝土分区)提供依据; ➢ 为坝体的某些部位(如孔口、廊道等)配置钢筋提供依据。 ➢ 为改进结构型式和科学研究提供依据。
3、边缘应力计算
作用力与应力的正方向规定:如右图所示。 ① XY坐标系原点放在下坝面,X坐标轴指向
上游,Y坐标轴向下为正; ② 取水平外力以指向上游为正,铅直外力以
向下为正,力矩以反时针方向为正; ③ 正应力以压为正(与弹力符号相反),剪
应力以微分体的拉伸对角线在一、三象限 为正(与弹力符号相同)。 为便于区别,上下游边缘应力分别用上标 “′” 和“″”加以标注。
(1)水平截面上的边缘垂直正应力σyˊ 和σy 〞(不考虑扬压力)
假定任一水平截面上的垂直正应力σy呈直线分布,可用材料力学偏心 受压公式计算。
y
W T
6M T2
y
W T
6M T2
式中:
ΣW——作用在计算截面以上全部荷载的铅直分力总和。 ΣM——作用在计算截面以上全部荷载对截面形心的力矩总和。
2. 分析方法:
➢ 材料力学法——规范使用,重点讲解。 ➢ 数值方法——有限元法、块体元法、流形元法——没有控制标准。 ➢ 模型试验法
(计算时:计算方法+参数+标准——要配套)
二、应力分析的材料力学法 1、基本假定: (1)坝体材料为均质、连续、各向同性的弹性材料。 (2)坝段为固结于地基上的悬臂梁,各坝段独立工作,横缝不
x ( p pu ) ( p pu y )n2
令pu 〞为下游边缘的扬压力强度,同理可得:
( y pu p)m
x ( p pu) ( y pu p)m2
上游边缘主应力为:
力的作用 ) 。
T——计算截面沿上下游方向的宽度。
求出边缘正应力σyˊ 和σy 〞后, 其他边缘应力仍可根据坝面微元 体的平衡条件求得,以上游边缘 应力为例(图6-16)。
令puˊ为上游边缘的扬压力强度, 由ΣFy =0和ΣFx =0的平衡条件
可得:
( p pu y )n
1
(1
n2
)
y
( p
pu
)n 2
2 p pu
下游边缘主应力为:
1 (1 m2 ) y ( p pu)m2
2 p pu
☞当无泥沙压力和地震动水压力时, pˊ、 p〞即为作用在坝
面上的静水压力强度,且等于puˊ 、 pu 〞 ,上述公式中 (pˊ -puˊ)和(p〞- pu 〞)均为零。
T
∑P——用应力计算时的
dx P 符合规定,指向上游为正 (与推导稳定计算公式中
0
故有
的∑P指向规定相反)。
a1 b1x c1x2
其中
a1
b1
2 T
(
2
3
T
P
)
c1
3 T
(
2 P)
T
坝内主应力
求得把内各点的三个应力分量σy、τ、σx后,可根据
有限元法计算混凝土重力坝上游垂直应力时,控制标准为:
(1)坝基上游面
计扬压力时,拉应力区宽度宜小于坝底宽度的0.07倍(垂直拉应力分布 宽度/坝底面宽度)或坝踵至帷幕中心线的距离。
(2)坝体上游面
计扬压力时,拉应力区宽度宜小于计算截面宽度的0.07倍或计算截面上 游面至排水孔(管)中心线的距离。
1
y
psin 2
cos2 u
u
(1 tg2u ) y ptg2u
(1 n2 ) y pn2
分析:由上游边缘主应力σˊ计算式(上式)可以得出,当上游坝面 倾斜,即n>0时,即使σyˊ ≥0,如果σyˊ < pˊ sin2φu,上游坝面主应 力σˊ仍会成为拉应力。因此重力坝的上游坝面坡度n一般都取得很
当e
T
时,
6
为压应力,远离交点一侧边缘上的垂直
0。 正应力为拉应力。
y
这个概念对重力坝的设计十分重要。
(2)水平截面上边缘剪应力 τˊ 、 τ〞 (不考虑扬压力)
对上游坝面A点三角形微元体,根据力的平衡条件ΣFy =0,得
pds sin u dy ydx 0
方向, 表示拉应力, 表示压应力,矢量长度代表主应力的
绝对值。
(应力是矢量)
三、非荷载因素对坝体应力的影响 1、地基变形对坝体应力的影响
材料力学法中假定任何水平截面在变形后仍保持为平面。 坝底面不可能呈平面变形,坝下部用材料力学法计算误差大:
地基变形使坝底面以上约1/3~1/4坝高范围内的应力分布与材料力学法 的计算结果有较大的差别,其中以坝底面的差别最大。
(4)边缘主应力σˊ 和σ〞 (不考虑扬压力)
因主应力作用面上无剪应力,故上下游坝面即为主应力面之一(水库淤 沙内摩擦角为零条件下),而另一主应力面必然与坝面垂直。
为求边缘主应力,取如图6-16(c)所示的三角形微元体,由作用在上游 坝面微元件上力的平衡条件ΣFy =0可得σˊ 。
1dx cosu cosu pdx sin u sin u y dx 0
传力。 (3)地基的变形对坝体的应力没有影响。 (4)水平截面上的垂直正应力呈直线分布(平面假定)。
2 、计算单元、计算截面
(1)计算单元:沿坝轴线方向,取单位坝宽 为计算单元。(对溢流坝段,取一个坝 段为计算单元。)
(2)计算截面:在计算单元的横剖面上,截 取若干个控制性水平截面进行应力计算。
☞一般选取坝基面、上下游折坡处、坝体削弱 部位(廊道部位等)以及需要计算坝体应 力的部位。
小乃至为零,以防上游坝面出现主拉应力。(上游坝坡越缓,Φu越 大, sin2φu越大, σˊ可能为负,出现拉应力。因此上游坝坡坡角 Φu不宜过大,亦即上游坝坡n不宜过大。)
对下游坝面,因p〞较小,故下游坝坡m可较大。
(5)有扬压力时边缘应力的计算
以上所列边缘应力的计算公式均未计入扬压力的影响,对于刚建成的或 刚开始蓄水的坝,在坝体内或坝基中尚未形成稳定渗流场时,若要考虑 坝踵和坝趾的应力状态则利用上述公式计算(可以不考虑扬压力 )。