一种拱坝全坝面等效应力计算方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种拱坝全坝面等效应力计算方法及系统，拱坝全坝面等效应力计算方法包括：对待计算拱坝的有限元网格模型中的各节点进行应力的有限元计算；沿特征高程拱圈的中心线，将特征高程拱圈的中心线分为多份，并确定多个应力路径；根据应力路径上各节点的有限元计算结果及应力路径的曲率半径，确定应力路径上的梁向内力和拱向内力；分别在上下游坝面建立表面效应单元，并确定几何参数；根据各特征高程拱圈上的各应力路径上的梁向内力、拱向内力、曲率半径、上/下游边界条件以及上/下游几何参数，确定上/下游坝面的等效应力，进而可计算出拱坝全坝面的等效应力，并提高了拱坝全坝面等效应力计算的精确度。面等效应力计算的精确度。面等效应力计算的精确度。

【技术实现步骤摘要】
一种拱坝全坝面等效应力计算方法及系统


[0001]本专利技术涉及水利水电工程领域，特别是涉及一种拱坝全坝面等效应力计算方法及系统。

技术介绍

[0002]拱坝坝体是一种典型的空间结构，受力状态复杂，因而通常在采用拱梁分载法计算坝体应力的同时，也采用有限元法对坝体应力进行复核。《混凝土拱坝设计规范》(SL282
‑
2018)中明确要求：采用有限元方法计算坝体应力时，坝体应力应进行应力等效处理，并给出了有限元等效应力计算的坝体主拉应力和主压应力的控制标准。传统等效应力计算方法，第一步根据拱坝的体型参数建立模型，第二步剖分网格，确定边界条件，输入荷载，进行有限元计算，第三步在建基面处根据构造的有限元应力沿厚度的分布函数，计算出建基面上的等效应力。传统的等效应力计算方法仅实现了建基面上的应力等效，不能计算出整个坝面等效应力的分布情况，难以确定整个坝体是否满足规范制定的有限元等效应力的控制标准，同时有限元应力沿厚度方向的分布函数，与真实的有限元应力分布情况不符，计算误差较大。
[0003]基于上述问题，亟需一种新的等效应力计算方法以提高拱坝全坝面等效应力计算的精确度。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种拱坝全坝面等效应力计算方法及系统，可提高拱坝全坝面等效应力计算的效率和精确度。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0006]一种拱坝全坝面等效应力计算方法，所述拱坝全坝面等效应力计算方法包括：
[0007]对待计算拱坝的有限元网格模型中的各节点进行应力的有限元计算，得到各节点的有限元计算结果；有限元网格模型通过对由特征高程拱圈确定的拱坝实体剖分得到，有限元网格模型由实体单元和节点构成；所述有限元计算结果包括各节点的X、Y、Z三个方向的正应力和X、Y、Z三个方向平面上的切应力；其中，X方向为横河方向，Y方向为顺河方向，Z为铅直方向；
[0008]针对任一特征高程拱圈，沿所述特征高程拱圈的中心线，通过多个等分点将所述特征高程拱圈的中心线分为多份，并确定各等分点与所述特征高程拱圈的上游曲线交点以及各等分点与所述特征高程拱圈的下游曲线交点；根据各上游曲线交点、等分点以及各下游曲线交点，确定多个应力路径；
[0009]针对任一应力路径，根据所述应力路径上拱圈中心线等分点的位置，确定所述应力路径的曲率半径；根据所述应力路径上各节点的有限元计算结果及所述应力路径的曲率半径，确定所述应力路径上的梁向内力和拱向内力；
[0010]在下游坝面建立SURF154表面效应单元，并确定下游坝面的几何参数；根据各特征
高程拱圈上的各应力路径上的梁向内力、拱向内力、曲率半径、下游边界条件以及下游坝面的几何参数，确定下游坝面的等效应力；
[0011]在上游坝面建立SURF154表面效应单元，并确定上游坝面的几何参数；根据各应力路径上的梁向内力、拱向内力、上游边界条件以及上游坝面的几何参数，确定上游坝面的等效应力；
[0012]根据下游坝面的等效应力和上游坝面的等效应力，确定待计算拱坝的全坝面等效应力。
[0013]为实现上述目的，本专利技术还提供了如下方案：
[0014]一种拱坝全坝面等效应力计算系统，所述拱坝全坝面等效应力计算系统包括：
[0015]有限元计算单元，用于对待计算拱坝的有限元网格模型中的各节点进行应力的有限元计算，得到各节点的有限元计算结果；有限元网格模型通过对由特征高程拱圈确定的拱坝实体剖分得到，有限元网格模型由实体单元和节点构成；所述有限元计算结果包括各节点的X、Y、Z三个方向的正应力和X、Y、Z三个方向平面上的切应力；其中，X方向为横河方向，Y方向为顺河方向，Z为铅直方向；
[0016]应力路径确定单元，与所述有限元计算单元连接，用于针对任一特征高程拱圈，沿所述特征高程拱圈的中心线，通过多个等分点将所述特征高程拱圈的中心线分为多份，并确定各等分点与所述特征高程拱圈的上游曲线交点以及各等分点与所述特征高程拱圈的下游曲线交点，并根据各上游曲线交点、等分点以及各下游曲线交点，确定多个应力路径；
[0017]内力确定单元，与所述应力路径确定单元连接，用于针对任一应力路径，根据所述应力路径上拱圈中心线等分点的位置，确定所述应力路径的曲率半径，并根据所述应力路径上各节点的有限元计算结果及所述应力路径的曲率半径，确定所述应力路径上的梁向内力和拱向内力；
[0018]下游等效应力确定单元，与所述内力确定单元连接，用于在下游坝面建立SURF154表面效应单元，并确定下游坝面的几何参数，以及根据各特征高程拱圈上的各应力路径上的梁向内力、拱向内力、曲率半径、下游边界条件以及下游坝面的几何参数，确定下游坝面的等效应力；
[0019]上游等效应力确定单元，与所述内力确定单元连接，用于在上游坝面建立SURF154表面效应单元，并确定上游坝面的几何参数；根据各应力路径上的梁向内力、拱向内力、上游边界条件以及上游坝面的几何参数，确定上游坝面的等效应力；
[0020]全坝面等效应力确定单元，分别与所述下游等效应力确定单元及所述上游等效应力确定单元连接，用于根据下游坝面的等效应力和上游坝面的等效应力，确定待计算拱坝的全坝面等效应力。
[0021]根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：通过沿特征高程拱圈的中心线，通过多个等分点将特征高程拱圈的平面分为多份，确定多个应力路径，根据应力路径上各节点的有限元计算结果及应力路径的曲率半径，确定应力路径上的梁向内力和拱向内力，并根据各应力路径上的梁向内力和拱向内力，分别确定上游坝面和下游坝面的等效应力，进而可计算出拱坝全坝面的等效应力，该方法提高了拱坝全坝面等效应力计算的效率和精确度。
附图说明
[0022]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0023]图1为本专利技术拱坝全坝面等效应力计算方法的流程图；
[0024]图2为拱坝坝体示意图；
[0025]图3为有限元网格模型示意图；
[0026]图4为应力路径确定过程的示意图；
[0027]图5为上下游坝面与悬臂梁的结构示意图；
[0028]图6为下游坝面的几何参数确定过程的示意图；
[0029]图7为本专利技术拱坝全坝面等效应力计算系统的模块结构示意图。
[0030]符号说明：
[0031]有限元计算单元
‑
1，应力路径确定单元
‑
2，内力确定单元
‑
3，下游等效应力确定单元
‑
4，上游等效应力确定单元
‑
5，全坝面等效应力确定单元
‑
6。
具体实施方式
[0032]下面将结合本专利技术实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种拱坝全坝面等效应力计算方法，其特征在于，所述拱坝全坝面等效应力计算方法包括：对待计算拱坝的有限元网格模型中的各节点进行应力的有限元计算，得到各节点的有限元计算结果；有限元网格模型通过对由特征高程拱圈确定的拱坝实体剖分得到，有限元网格模型由实体单元和节点构成；所述有限元计算结果包括各节点的X、Y、Z三个方向的正应力和X、Y、Z三个方向平面上的切应力；其中，X方向为横河方向，Y方向为顺河方向，Z为铅直方向；针对任一特征高程拱圈，沿所述特征高程拱圈的中心线，通过多个等分点将所述特征高程拱圈的中心线分为多份，并确定各等分点与所述特征高程拱圈的上游曲线交点以及各等分点与所述特征高程拱圈的下游曲线交点；根据各上游曲线交点、等分点以及各下游曲线交点，确定多个应力路径；针对任一应力路径，根据所述应力路径上拱圈中心线等分点的位置，确定所述应力路径的曲率半径；根据所述应力路径上各节点的有限元计算结果及所述应力路径的曲率半径，确定所述应力路径上的梁向内力和拱向内力；在下游坝面建立SURF154表面效应单元，并确定下游坝面的几何参数；根据各特征高程拱圈上的各应力路径上的梁向内力、拱向内力、曲率半径、下游边界条件以及下游坝面的几何参数，确定下游坝面的等效应力；在上游坝面建立SURF154表面效应单元，并确定上游坝面的几何参数；根据各应力路径上的梁向内力、拱向内力、上游边界条件以及上游坝面的几何参数，确定上游坝面的等效应力；根据下游坝面的等效应力和上游坝面的等效应力，确定待计算拱坝的全坝面等效应力。2.根据权利要求1所述的拱坝全坝面等效应力计算方法，其特征在于，所述梁向内力包括梁的竖向力、梁的弯矩、梁的切向剪力、梁的径向剪力及梁的扭矩；所述拱向内力包括拱的水平推力、拱的弯矩以及拱的径向剪力；所述根据所述应力路径上各节点的有限元计算结果及所述应力路径的曲率半径，确定所述应力路径上的梁向内力和拱向内力，具体包括：根据所述应力路径上各节点的有限元计算结果，确定所述应力路径的有限元计算结果；应力路径的有限元计算结果包括铅直方向应力、局部坐标下z面上x方向上的剪应力、局部坐标下z面上y方向上的剪应力、拱向应力以及局部坐标下x面上y方向上的剪应力；根据所述应力路径的路径长度确定梁的截面厚度；根据所述梁的截面厚度、所述应力路径的曲率半径及所述应力路径的铅直方向应力，确定梁的竖向力及梁的弯矩；根据所述梁的截面厚度、所述应力路径的曲率半径、所述应力路径的第一水平内切应力，确定梁的切向剪力及梁的扭矩；根据所述梁的截面厚度、所述应力路径的曲率半径、所述应力路径的第二水平内切应力，确定梁的径向剪力；根据所述梁的截面厚度及所述应力路径的拱向应力，确定拱的水平推力和拱的弯矩；根据所述梁的截面厚度及所述应力路径的局部坐标下x面上y方向上的剪应力，确定拱
的径向剪力。3.根据权利要求2所述的拱坝全坝面等效应力计算方法，其特征在于，根据以下公式确定梁的竖向力：其中，W
b
为梁的竖向力，t为梁的截面厚度，σ
z
为应力路径的铅直方向应力、r为应力路径的曲率半径，y为应力路径方向上的长度参数；根据以下公式确定梁的弯矩：其中，M
b
为梁的弯矩，y0为应力路径对应的局部坐标下梁截面的形心坐标；根据以下公式确定梁的切向剪力：其中，Q
b
为梁的切向剪力，τ
zx
为应力路径的局部坐标下z面上x方向上的剪应力；根据以下公式确定梁的扭矩：其中，T
b
为梁的扭矩；根据以下公式确定梁的径向剪力：其中，V
b
为梁的径向剪力，τ
zy
为应力路径的局部坐标下z面上y方向上的剪应力。4.根据权利要求2所述的拱坝全坝面等效应力计算方法，其特征在于，根据以下公式确定拱的水平推力：其中，H
a
为拱的水平推力，t为梁的截面厚度，σ
x
为应力路径的拱向应力；根据以下公式确定拱的弯矩：其中，M
a
为拱的弯矩，y为应力路径方向上的长度参数；根据以下公式确定拱的径向剪力：其中，V
a
为拱的径向剪力，τ
xy
为应力路径的局部坐标下x面上y方向上的剪应力。
5.根据权利要求1所述的拱坝全坝面等效应力计算方法，其特征在于，根据以下公式，确定特征高程拱圈j中应力路径i的曲率半径：r
j
＝(1+(XL(j)/5*i/RCL(j))2)
1.5
*RCL(j)；其中，r
j
为特征高程拱圈j中应力路径i的曲率半径，XL(j)为特征高程拱圈j对应的左侧半弦长，RCL(j)为特征高程拱圈j对应的左侧曲率半径。6.根据权利要求1所述的拱坝全坝面等效应力计算方法，其特征在于，所述在下游坝面建立SURF154表面效应单元，并确定下游坝面的几何参数，具体包括：在下游坝面建立对应各特征高程拱圈曲线交点的SURF154表面效应单元；在各应力路径对应的拱圈中心线的等分点上建立局部坐标系；其中，局部坐标系的X
’
轴平行于特征高程拱圈中心线切向方向，Y
’
轴平行于半径方向，Z
’
轴为铅直方向；针对任一特征高程拱圈，计算各下...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨顺群，王惠芹，杨军义，董甲甲，孙凯，吕小龙，聂章博，
申请(专利权)人：黄河勘测规划设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：