拱坝体形优化设计方法及工程应用

本文总结了作者在拱坝优化方面多年研究与实践的经验,特别是在优化模型的塑造、优化方法的选择和近似重分析技术等方面的成果与体会。对多个拱坝工程的实际应用表明,采用拱坝优化技术能够提高设计质量、节省大量的工程投资,具有显著的技术经济效益。已对有关算法建立了相应的软件ＡＤＣＡＳ和ＡＤＯＰＴ,性能良好,可供商用。     

地震作用下高拱坝损伤开裂分析

采用应变率相关的砼非线性损伤模型模拟拱坝横缝,研究了砼非线性本构情况下整体拱坝与考虑分缝拱坝的应力响应和损伤开裂的特点与差别。对实际拱坝的地震响应分析表明,基于非线性砼模型的整体拱坝动力响应模型可以基本反映拱坝的实际应力分布情况。     

高拱坝伸缩横缝间布设抗震钢筋的动力反应分析

应用动力非线性子结构理论,对设置伸缩横缝的小湾高拱坝实际工程结构抗震分析中的坝体横缝加抗震钢筋问题进行了研究.讨论并建立了坝体伸缩横缝在地震荷载作用下穿越缝间抗震钢筋的数学模型,给出了动力非线性子结构法考虑缝间抗震钢筋影响的求解公式;并就正常高水位常与低水位两种水位工况,对坝体的抗震性能进行了计算分析.讨论了在地震荷载作用下抗震钢筋对坝体横缝张开度、坝体应力以及加速度响应的影响.     

拱坝—地基动力体系的简化计算模型及其在地震作用上的动力反应分析

通过对拱坝地基的半夫限空间动力体系的分析,提出了拱坝－地基动力相互作用问题的简化求解途径,并结合小湾拱坝进行了实验分析。结果表明,这种直接应用于时域求解的简化模型,既反映了影响相互作用的主要因素,又使计算工作量大大减少,结果可靠合理,便于工程上的推广应用,同时为进一步进行非线性体系在时域中的简化计算打下了基础。     

在静力与动力荷载作用下拱坝的体形优化

建立了拱坝体形优化的合理而实用的数学模型,提出了有效的求解方法,特别重视工程应用,目前已应用于近三十个实际工程,取得了巨大经济效益,并已应用于250米特高拱坝的设计。作者提出了一系列有效的求解方法,如内力展开法,设计变量指数变换法等等,并首次实现了地震荷载作用下拱坝的体形优化。     

高拱坝动力特性与动力响应模型试验研究

高拱坝的动力破坏特性越来越受到关注,动力特性和动力响应是其研究的一个重要方面。通过模型试验的方法研究高拱坝动力特性和动力响应的特征,动力特性试验比较了完好结构与有施工横缝结构的基阶动力特性,表明当结构存在施工横缝时,结构基阶频率降低,阻尼增大。结构动力响应采用振动台模拟地震波激励,试验结果表明,完整结构与有施工缝结构动力响应具体数据不同,但规律相同。加速度最大响应沿拱顶水平向在坝中拱顶的值最大,向两边的坝肩处,加速度最大响应逐渐减小。沿拱坝垂向加速度最大响应从坝顶到基础,响应均逐渐减小。试验结果可为高拱坝结构动力安全研究提供技术依据。     

拱坝体型的多目标模糊优化设计

在拱坝体型的优化设计中 ,传统的以经济指标为目标函数的数学模型 ,有一定的局限性。本文综合考虑拱坝的安全性与经济性 ,建立了多目标优化设计的数学模型。模型解决了多目标函数及拉应力控制标准的模糊性。小湾拱坝的优化计算结果表明了模型的合理性与可行性     

考虑混凝土应变率变化的高拱坝非线性动力响应研究

提出一种新的应变率相关的混凝土非线性弹塑性损伤模型。采用此模型对混凝土拱坝的非线性地震响应作了分析。在综合考虑坝-地基-库水动力相互作用和坝缝非线性接触的基础上,着重研究了混凝土应交率相关效应及加载历史对混凝土极限强度等重要参数及拱坝响应的影响,并与采用不考虑应交率影响的混凝土损伤模型计算结果进行了对比分析。结果表明,拱坝考虑横缝作用后的坝面应变率分布不同于整体拱坝。应交率分布形态不仅可以很好地表征拱坝的振动形态,而且对于高拱坝的动力响应的影响也不可忽略。     

高拱坝气幕隔震的动力模型试验

为了研究高拱坝的气幕隔震效果,基于动力相似准则,设计了坝体-坝基-气幕-库水三相耦合系统的动力试验模型。其中,坝体材料采用河沙、重晶石粉、铁粉、松香、酒精调制而成,坝基材料采用膨胀珍珠岩和石膏调制的轻质材料,气幕厚度为1cm,均匀地覆盖在坝体上游面,气室壁材料选用ABS工程塑料。基于该模型,完成了两种实测地震波不同峰值加速度共计12个工况的大型振动台试验。试验结果表明:气幕使动水压力显著降低,坝体加速度也相应减小;靠近坝底的测点动水压力削减达70%以上,坝顶加速度减小约20%。因此,气幕可提高坝体的抗震性能。     

基于结构自控制的抗震设计方法

根据不同结构形式在地震中表现出迥异的抗震性能这一客观事实 ,提出了既将结构视为使用主体 ,又将其视为抗震主体的一体化抗震设计概念——对结构的拓扑、形状、尺寸和材料的自控制设计 ;从结构的动力状态控制方程出发 ,建立了自控制抗震设计的数学模型和功能函数 ,并应用于小湾拱坝的体型抗震控制设计中 ,获得了合理可行的控制体型 ,控制体型在应力指标和大坝体积上均得到改善 ,体现了较好的抗震安全性与经济性     

基于可能失效模式的拱坝安全度评价

复杂结构的安全度取决于主要失效模式,但现有的拱坝安全度评价方法较少考虑失效模式。本文基于非概率理论的结构体系安全度评价方法,考虑坝体初始开裂位置的随机性,由非概率可靠度指标最小来搜索拱坝所有可能的失效模式。分别对各种失效模式利用给出的结构体系安全度评价方法进行计算,最小值即为拱坝的非概率可靠度。算例综合考虑拱坝的各种可能失效模式,得到整个拱坝的非概率可靠指标为1.84,更全面合理地给出拱坝的安全度。     

优化方法用于模型校核

在工程实际中,常常会遇到需要选择本构模型和校准参数的模型校核问题.文中采用优化方法实现了复杂模型校核的自动化.文中,首先将各种本构模型映射为整数编号,并根据这些编号来激活相应的本构模型和本构模型参数,解决了本构模型的参数化问题;另外,根据模型校核问题的特点选择了试验结果和计算结果相对误差的平方和作为目标函数.通过这些步骤,用实现了优化方法模型校核自动化.     

花岗岩的动态力学性能、本构模型与状态方程研究

为研究强动载荷条件下花岗岩的动态力学性能、本构模型与状态方程,分别采用分离式霍普金森压杆和轻气炮系统进行了压杆试验和飞片撞击试验,以获得不同条件下花岗岩的动态力学参数。压杆试验结果表明,花岗岩在应变率为80~320 s^–1范围内呈现明显的应变率效应,其强度和应变率近似呈指数关系。飞片撞击试验表明,随着飞片速度的增大,冲击波传播速度呈现明显的三折线变化趋势,而试样的可压缩性则随着加载速度的提高先逐渐增强然后再次降低。最后,根据试验数据,给出了强动载荷条件下花岗岩的HJC（Holmquist–Johnson–Cook）本构模型、Gruneisen状态方程以及动态屈服强度参数。

     

双轴对称截面薄壁圆弧曲梁的弹性稳定平衡方程

基于薄壁构件分析的基本假定,采用双轴对称截面薄壁圆弧曲梁的精确翘曲位移表达式,导出了曲梁考虑几何非线性情况下的总势能,根据欧拉公式得到了曲梁的稳定平衡方程。推导中采用横截面线性和非线性总应变为零的假定,从而无需考虑横向应力的影响,对应变高阶项采用合理的简化处理,使理论推导过程简单明了。在理论推导的基础上分析了简支拱在均布径向荷载和两端等弯矩荷载作用下的平面内和平面外屈曲问题,并与其他研究者的结果进行了比较,追溯了各理论结果存在差别的根源,论证了本文理论推导过程的合理性。使用通用有限元软件ANSYS进行了模拟,与本文的分析结果一致,证明了所得公式的正确性。通过一些无碍结果的近似使所得公式形式简洁,便于在工程中应用。