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塑性 混凝土心墙

阅读：40发布：2020-05-08

专利汇可以提供塑性混凝土心墙专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种采用非线性有限元方法对塑性混凝土心墙土石坝的心墙的几何厚度进行优化，从而确定土石坝工程中最合理厚度心墙的设计方法，属于水工结构工程应用研究领域。本发明首先根据塑性混凝土心墙土石坝的体型设计图，用大型有限元软件 ABAQUS建立不同几何厚度心墙的土石坝最大断面的二维计算模型；对塑性混凝土心墙与土石坝的坝壳料相接之处采用有限元的接触单元进行模拟，分析正常运行工况下土石坝的不同厚度塑性混凝土心墙所承受的最大抗拉力及最大水平剪应变，并以此作为心墙厚度优化设计的控制指标，从而确定塑性混凝土心墙土石坝工程中既满足工程要求有经济合理的心墙几何厚度。本发明理论明确、便于理解、计算简单，采用非线性有限单元法研究了塑性混凝土心墙土石坝中心墙的最优化几何厚度，无论在土石坝工程的设计及施工方面，还是在工程经济方面都有极为重要的意义。，下面是塑性混凝土心墙专利的具体信息内容。

权利要求

1.用非线性有限元方法对土石坝的塑性混凝土心墙的几何厚度进行优化，从而确定土石坝工程中心墙最合理厚度的设计方法，其具体步骤如下：
Step1、根据塑性混凝土心墙土石坝的设计图，利用ABAQUS 软件建立不同厚度心墙的土石坝最大断面的二维有限元模型，其中上下游坝壳、塑性混凝土心墙及部分地基；在该有限元模型中，上下游坝壳采用土体的邓肯张本构模型，混凝土心墙、灌浆帷幕采用线弹性本构模型、强风化地基岩石采用D-P岩石本构模型，弱风化及未风化地基岩石采用线弹性本构模型，并且对于塑性混凝土心墙与坝壳料相接触之处采用接触单元进行模拟；
Step2、利用ABAQUS的U-mat二次开发的外接口接入土体的邓肯张本构模型程序，对Step1中的不同心墙厚度的土石坝进行正常运行工况下的分析，得出不同厚度心墙承受的最大抗拉力和最大水平剪应变及其所出现的部位；
Step3、对Step2中得出的不同厚度心墙所承受的最大拉应力及最大水平剪应变进行心墙厚度-最大拉应力函数拟合分析及心墙厚度-最大水平剪应变函数拟合分析，从而确定心墙厚度。
2.根据权利要求1所述的采用非线性有限元方法对土石坝的塑性混凝土心墙的几何厚度进行优化，从而确定土石坝工程中心墙最合理厚度的设计方法，其特征在于：所述步骤Step1中根据塑性混凝土心墙土石坝的设计图，建立塑性混凝土心墙土石坝最大断面的二维ABAQUS有限元模型，并且根据采用土石坝的设计图进行不同材料分区确定坝体不同部位的材料属性。
3.根据权利要求1所述的采用非线性有限元方法对土石坝的塑性混凝土心墙的几何厚度进行优化，从而确定土石坝工程中心墙最合理厚度的设计方法，其特征在于：所述步骤Step1中对不同厚度的心墙土石坝进行非线性有限元分析时，对塑性混凝土心墙与土石坝坝壳料相接触的部位采用ABAQUS自带的能够切向运动而不能法向相互贯入的接触单元进行模拟。
4.根据权利要求1所述的采用非线性有限元方法对土石坝的塑性混凝土心墙的几何厚度进行优化，从而确定土石坝工程中心墙最合理厚度的设计方法，其特征在于：所述步骤Step2中对不同厚度的心墙土石坝进行非线性有限元分析时，对坝体不同部位采用不同的材料属性，对于坝壳土石料采用了ABAQUS特有的外接子程序接口接入U-mat邓肯张材料本构子程序进行定义坝壳料的材料属性。
5.根据权利要求1所述的采用非线性有限元方法对土石坝的塑性混凝土心墙的几何厚度进行优化，从而确定土石坝工程中心墙最合理厚度的设计方法，其特征在于：所述步骤Step3中确定最合理的混凝土心墙的厚度时建立心墙厚度-最大拉应力函数关系函数和心墙厚度-最大水平剪应变关系函数，采用多项式建立上述关系函数，从而根据两个多项式函数关系分析确定合理的塑性混凝土心墙的厚度值。

说明书全文

塑性混凝土心墙

技术领域

[0001] 本发明涉及一种采用非线性有限元方法对土石坝的塑性混凝土心墙的几何厚度进行优化，从而确定土石坝工程中心墙最合理厚度的设计方法，属于水工结构工程应用研究领域。

背景技术

[0002] 在土石坝中加入塑性混凝土心墙是为使坝体的防渗性能满足要求，但是当塑性混凝土心墙满足强度及变形要求的同时，应该也满足经济上的合理性，为使塑性混凝土心墙土石坝工程在满足工程要求的基础上尽量节约投资，因此，本发明是更精确的确定土石坝工程中塑性混凝土心墙的最合理厚度，为大坝设计提供更有利的依据。

发明内容

[0003] 本发明涉及一种采用非线性有限元方法对塑性混凝土心墙土石坝的心墙的几何厚度进行优化，从而确定土石坝工程中最合理厚度心墙的设计方法，属于水工结构工程应用研究领域。本发明首先根据塑性混凝土心墙土石坝的体型设计图，用大型有限元软件ABAQUS建立不同几何厚度心墙的土石坝最大断面的二维计算模型；对塑性混凝土心墙与土石坝的坝壳料相接之处采用有限元的接触单元进行模拟，分析正常运行工况下土石坝的不同厚度塑性混凝土心墙所承受的最大抗拉力及最大水平剪应变，并以此作为心墙厚度优化设计的控制指标，从而确定塑性混凝土心墙土石坝工程中既满足工程要求有经济合理的心墙几何厚度。

[0004] 1、本发明是一种采用非线性有限元方法对土石坝的塑性混凝土心墙的几何厚度进行优化，从而确定土石坝工程中心墙最合理厚度的设计方法，其具体步骤如下：

[0005] Step1、根据塑性混凝土心墙土石坝的设计图，利用ABAQUS软件建立不同厚度心墙的土石坝最大断面的二维有限元模型，其中上下游坝壳、塑性混凝土心墙及部分地基。在该有限元模型中，上下游坝壳采用土体的邓肯张本构模型，混凝土心墙、灌浆帷幕采用线弹性本构模型、强风化地基岩石采用D-P岩石本构模型，弱风化及未风化地基岩石采用线弹性本构模型，并且对于塑性混凝土心墙与坝壳料相接触之处采用接触单元进行模拟；

[0006] Step2、利用ABAQUS的U-mat二次开发的外接口接入土体的邓肯张本构模型程序，对Step1中的不同心墙厚度的土石坝进行正常运行工况下的分析，得出不同厚度心墙承受的最大抗拉力和最大水平剪应变及其所出现的部位；

[0007] Step3、对Step2中得出的不同厚度心墙所承受的最大拉应力及最大水平剪应变进行心墙厚度-最大拉应力函数拟合分析及心墙厚度-最大水平剪应变函数拟合分析，从而确定既满足工程要求有经济合理的心墙厚度。

[0008] 2、根据权利要求1所述的采用非线性有限元方法对土石坝的塑性混凝土心墙的几何厚度进行优化，从而确定土石坝工程中心墙最合理厚度的设计方法，其特征在于：所述步骤Step1中根据塑性混凝土心墙土石坝的设计图，建立塑性混凝土心墙土石坝最大断面的二维ABAQUS有限元模型，并且根据采用土石坝的设计图进行不同材料分区确定坝体不同部位（包括地基）的材料属性。

[0009] 3、根据权利要求1所述的采用非线性有限元方法对土石坝的塑性混凝土心墙的几何厚度进行优化，从而确定土石坝工程中心墙最合理厚度的设计方法，其特征在于：所述步骤Step1中对不同厚度的心墙土石坝进行非线性有限元分析时，对塑性混凝土心墙与土石坝坝壳料相接触的部位采用ABAQUS自带的能够切向运动而不能法向相互贯入的接触单元进行模拟。

[0010] 4、根据权利要求1所述的采用非线性有限元方法对土石坝的塑性混凝土心墙的几何厚度进行优化，从而确定土石坝工程中心墙最合理厚度的设计方法，其特征在于：所述步骤Step2中对不同厚度的心墙土石坝进行非线性有限元分析时，对坝体不同部位采用不同的材料属性，对于坝壳土石料采用了ABAQUS特有的外接子程序接口接入U-mat邓肯张材料本构子程序进行定义坝壳料的材料属性。

[0011] 5、根据权利要求1所述的采用非线性有限元方法对土石坝的塑性混凝土心墙的几何厚度进行优化，从而确定土石坝工程中心墙最合理厚度的设计方法，其特征在于：所述步骤Step3中确定最合理的混凝土心墙的厚度时建立心墙厚度-最大拉应力函数关系函数和心墙厚度-最大水平剪应变关系函数，本发明采用多项式建立上述关系函数，从而根据两个多项式函数关系分析确定合理的塑性混凝土心墙的厚度值。

[0012] 本发明的效益为：理论明确、便于理解、计算简单，采用非线性有限单元法研究了塑性混凝土心墙土石坝中心墙的最优化几何厚度，无论在土石坝工程的设计及施工方面，还是在工程经济方面都有极为重要的意义。

[0013] 具体实施方法:

[0014] 实施例1：如图1所示，对某一50m高塑性混凝土心墙土石坝采用非线性有限元方法对其心墙几何厚度进行优化设计，该土石坝工程材料属性，见表1 表3。具体方法如下：~

[0015] A、根据邓肯张本构模型的原理编写适用于本土石坝工程坝壳料土体参数的Fortran外接U-mat子程序；

[0016] B、对图1中塑性混凝土心墙的厚度d分别取为0.6m、0.8m、1.0m、1.2m、1.4m和1.6m土石坝自重+正常水位工况下的非线性有限元分析，得出此六种不同厚度心墙所承受的拉应力及水平剪应变的分布，如图2 图7所示；~

[0017] C、根据图2 图7所示的拉应力分布和水平剪应变分布，确定不同厚度心墙的最大~拉应力值及其所在部位，如表4所示，以及最大水平剪切应变值及其所在部位，如表5所示。

[0018] D、将表4中数据绘制成心墙厚度-最大拉应力关系图，并采用三次多项式对图中数据点进行拟合，最终确定该塑性混凝土心墙土石坝的心墙厚度-最大拉应力的三次多项式函数关系，如图8所示；

[0019] E、将表5中数据绘制成心墙厚度-最大水平剪应变关系图，并采用三次多项式对图中数据点进行拟合，最终确定该塑性混凝土心墙土石坝的心墙厚度-最大水平剪应变的三次多项式函数关系，如图9所示；

[0020] F、根据D和E中所确定的心墙厚度-优化控制指标多项关系式，确定该土石坝工程的心墙最优厚度为1.6m。具体分析过程如下：

[0021] （1）根据表4和表5及图2 7所示，本混凝土心墙土石坝工程实例在自重+正常水位~静水压力工况下，该塑性混凝土心墙的各项力学荷载值均随着其心墙厚度的增加而逐渐减少。塑性混凝土心墙的各项荷载值随其厚度增加变化情况如图8 9所示；
~

[0022] （2）在确定塑性混凝土心墙最合理的厚度时，以心墙塑性混凝土材料的最大抗拉应变及水平剪应变作为控制指标进行优化设计，主拉、压应力作为优化的校核指标。本研究中对塑性混凝土力学性能的取值主要根据郑州大学结构工程博士王四巍的博士论文《单轴和三轴应力下塑性混凝土性能研究》（2010）中给出的实验结果，塑性混凝土的峰值应变一般为常态混凝土的2 8倍。据此，在本次研究中采用300με作为塑性混凝土抗拉峰值应变的~临界指标，在心墙厚度的优化分析中，选取0.6 1.6m厚度的心墙在优化工况作用下的最大~
抗拉峰值应变和最大水平剪应变均低于临界指标时的最小心墙厚度作为最合理值。

[0023] （3）根据表4 表5和图8 图9中的数据进行分析可知，当塑性混凝土心墙的厚度为~ ~1.0m时，其承受最大抗拉应变为285με，最大水平剪应变为238με，此时，上述两个值均远远低于规定的塑性混凝土抗拉应变的临界值，因此，可以确定虎街河土石坝塑性混凝土心墙厚度的最合理值为1.0m。此外，当土石坝的塑性混凝土心墙的厚度为1.0m时，其在优化工况下所承受的最大抗拉为1.88MPa、最大压应力为17.0MPa，也都是也是满足要求的。

[0024] （4）对图8中数据进行三次多项式数据拟合得出心墙厚度与最大拉应力的多项式3 2 2
函数关系为y=-0.4514x +2.1458x -3.7254x+3.8657，R为0.997；对图8中数据进行三次多项式数据拟合得出心墙厚度与最大水平剪应变的多项式函数关系为y=11.574x3+1.0913x2-
99.61x+327.6，R2为0.993；由此可知，正常工况下心墙所承受的最大拉应力和最大剪应变并不随着心墙厚度的增加一直线性减小，为使存在一个合理值，即为在满足工程要求的力学条件下最经济的心墙厚度。

[0025] 上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

[0026] 表1 坝壳料土体邓肯张参数部位干容重浮容重饱和容重 Rf K n G C Φ F D
坝壳料 18.8kN/m3 9.0kN/m3 21.3kN/m3 0.71 415 0.2 0.2 100kPa 33º 0.12 3.9[0027] 表2 塑性混凝土及帷幕灌浆材料参数

[0028]

[0029] 注：上表关于塑性混凝土的抗拉强度及峰值应变参数为建议值，是根据郑州大学结构工程博士王四巍的博士王四巍的博士论文《单轴和三轴应力下塑性混凝土性能研究》中的实验结果推导得出

[0030] 表3 地基材料参数部位干容重浮容重饱和容重弹性模量剪切模量泊松比粘聚力内摩擦角地基 22kN/m3 12kN/m3 23kN/m3 2000MPa 700MPa 0.37 90kPa 31º

[0031] 表4 不同厚度尺寸塑性混凝土心墙最大应力及其出现部位

[0032]

[0033] 表5 不同厚度尺寸塑性混凝土心墙最大应变值及其出现部位

[0034]

附图说明

[0035] 图1为本发明的塑性混凝土心墙土石坝工程实例有限元图

[0036] 图2为本发明的0.6m厚度塑性混凝土心墙主拉应力及水平剪应变分布图[0037] 图3为本发明的0.8m厚度塑性混凝土心墙主拉应力及水平剪应变分布图[0038] 图4为本发明的1.0m厚度塑性混凝土心墙主拉应力及水平剪应变分布图[0039] 图5为本发明的1.2m厚度塑性混凝土心墙主拉应力及水平剪应变分布图[0040] 图6为本发明的1.4m厚度塑性混凝土心墙主拉应力及水平剪应变分布图[0041] 图7为本发明的1.6m厚度塑性混凝土心墙主拉应力及水平剪应变分布图[0042] 图8为本发明的1.6m厚度塑性混凝土心墙主拉应力及水平剪应变分布图[0043] 图9为本发明的1.6m厚度塑性混凝土心墙主拉应力及水平剪应变分布图。

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