基于變形等效的拱壩壩基綜合變形模量自動化計算方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及拱壩設(shè)計參數(shù)獲取技術(shù)，其公開了一種基于變形等效的拱壩壩基綜合變形模量自動化計算方法，解決傳統(tǒng)技術(shù)中用人工參與建模方式帶來失誤率高、效率低下、檢查復(fù)核困難的問題。包括：A.根據(jù)拱端位置確定模型范圍，通過對比不同模型范圍對拱端變位影響，按變形趨于穩(wěn)定和收斂的方式進行搜索，確定綜合變形模量有限元計算標(biāo)準(zhǔn)化模型；B.以綜合變形模量有限元計算標(biāo)準(zhǔn)化模型為基礎(chǔ)，通過對比不同拱端分段數(shù)對拱端變位影響，按變形趨于穩(wěn)定和收斂的方式進行搜索，確定滿足要求的最小拱端分段數(shù)，進行模型單元網(wǎng)格劃分；C.采用面積加權(quán)計算方式獲得模型中復(fù)合材料單元參數(shù)；D.自動化計算綜合變形模量。適用于拱壩設(shè)計。
【專利說明】基于變形等效的拱壩壩基綜合變形模量自動化計算方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及拱壩設(shè)計參數(shù)獲取技術(shù)，具體涉及一種基于變形等效的拱壩壩基綜合變形模量自動化計算方法，屬于水利工程拱壩設(shè)計領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]最新版《混凝土拱壩設(shè)計規(guī)范》(DL/T 5346-2006)要求對壩基綜合變形模量要求采用變形等效原則進行計算，但規(guī)范未對變形等效相關(guān)原理方法進行詳細說明。因此，目前在采用拱梁分載法進行拱壩結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析時，除變形等效法外，壩基綜合變形模量參數(shù)獲取仍主要采用經(jīng)驗法、綜合估算法進行。
[0003]經(jīng)驗法取值主要根據(jù)壩基巖性資料，在參考相關(guān)規(guī)程規(guī)范、行業(yè)資料、工程資料宏觀上確定綜合變模設(shè)計參數(shù)，主要應(yīng)用在項目初步設(shè)計階段，相關(guān)參數(shù)取值未充分考慮巖體試驗情況、建基面巖體分布情況，和實際情況存在較大差距。
[0004]綜合估算法則主要根據(jù)壩基各級巖體試驗資料、建基面各級巖體分布情況綜合估算，主要應(yīng)用在項目可研及招標(biāo)設(shè)計階段，當(dāng)建基面存在復(fù)雜巖體分布情況時，由于無法考慮不同變模巖體空間分布對壩基變形的影響，也無法合適的考慮基礎(chǔ)置換、灌漿等措施的影響，和實際情況存在一定差距。
[0005]變形等效方法基本原理是變形能等效原理，即E1XU1 = E2XU2 (E1為待求的壩基綜合變模,U1為實際地基變形值，E2為均值壩基變形變模，U2為為均值壩基變形值)，其基本原理和拱梁分載法半無限均質(zhì)地基的Vogt假定一致。通過變形等效得到的壩基綜合變形模量能較好的反映壩基空間巖體分布、壩基地形及基礎(chǔ)處理措施，相對而言綜合變模值較為準(zhǔn)確，更接近實際情況。
[0006]目前變形等效計算時，主要采用有限元法進行計算，主要包括:確定壩基計算模型范圍、單元網(wǎng)格劃分、加載及有限元計算、對位移結(jié)果進行等效計算等流程。存在的主要問題包括:
[0007](I)不同工程項目、不同位置的壩基地形、地質(zhì)情況各不相同，根據(jù)經(jīng)驗確定計算模型范圍帶有隨意性，可比性不強。
[0008](2)壩基地形、地質(zhì)情況千變?nèi)f化，有限元計算時，若嚴(yán)格按照壩基巖體分布界線建立不同的有限元模型，工作量無疑是巨大的，人工參與建模失誤率高、效率低下。
[0009](3)現(xiàn)有計算方法無成熟的設(shè)計工具供使用，各計算流程的工作方式多為人工操作，計算效率低下、檢查復(fù)核困難。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:一種基于變形等效的拱壩壩基綜合變形模量自動化計算方法，解決傳統(tǒng)技術(shù)中壩基綜合變形模量參數(shù)獲取計算方法采用人工參與建模方式帶來失誤率高、效率低下、檢查復(fù)核困難的問題。
[0011]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
[0012]基于變形等效的拱壩壩基綜合變形模量自動化計算方法，包括以下步驟:
[0013]A.根據(jù)拱端位置確定模型范圍，通過對比不同模型范圍對拱端變位影響，按變形趨于穩(wěn)定和收斂的方式進行搜索，確定綜合變形模量有限元計算標(biāo)準(zhǔn)化模型；
[0014]B.以綜合變形模量有限元計算標(biāo)準(zhǔn)化模型為基礎(chǔ)，通過對比不同拱端分段數(shù)對拱端變位影響，按變形趨于穩(wěn)定和收斂的方式進行搜索，確定滿足要求的最小拱端分段數(shù)，進行模型單元網(wǎng)格劃分；
[0015]C.采用面積加權(quán)計算方式獲得模型中復(fù)合材料單元參數(shù)；
[0016]D.自動化計算綜合變形模量。
[0017]作為優(yōu)化方案，步驟A中，按和拱端長度T的比例關(guān)系來控制模型范圍，標(biāo)準(zhǔn)化模型范圍基本要求為:拱端向上游延伸3T，向下游延伸5T，向下部延伸4T，向上部延伸2T。
[0018]作為優(yōu)化方案，步驟B中，按照矩形進行模型單元網(wǎng)格劃分。
[0019]作為優(yōu)化方案，步驟B中，所述有限元計算標(biāo)準(zhǔn)化模型中拱端分段數(shù)為6。
[0020]作為優(yōu)化方案，步驟D中，在進行自動化計算綜合變形模量時，采用ANSYS有限元程序APDL命令流隱式調(diào)用方式后臺自動進行有限元計算。
[0021]本發(fā)明的有益效果是:
[0022]1、由于本發(fā)明采用了標(biāo)準(zhǔn)化模型、標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)格及復(fù)合材料單元，和現(xiàn)有手工計算流程相比，減少了建模隨意性，使得有限元建模復(fù)雜性大為降低，同時有限元單元數(shù)量減少也能直接提高有限元計算處理速度，不同計算可比性增強；
[0023]2、由于本發(fā)明以標(biāo)準(zhǔn)化模型、標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)格及復(fù)合材料單元為基礎(chǔ)，和現(xiàn)有手工計算流程相比，可實現(xiàn)自動化計算，減少了手工計算存在的失誤概率，自動化后可實現(xiàn)數(shù)據(jù)全面存儲，檢查復(fù)核方便，總體而言同時計算效率大為提高，面對大批量計算時，可有效的縮短計算周期。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1為綜合變形模量有限元計算標(biāo)準(zhǔn)化模型示意圖；
[0025]圖2為綜合變形模量有限元計算標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)格示意圖。

【具體實施方式】
[0026]按照《混凝土拱壩設(shè)計規(guī)范》DL/T 5346-2006要求，對拱壩結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析的基本方法為拱梁分載法，作為配套，壩基綜合變形模量計算程序為拱梁分載法提供壩基綜合變形模量計算參數(shù)。主要術(shù)語解釋如下:
[0027](I)拱梁分載法(trial-load method):將整個拱壩離散為水平拱和懸臂梁兩個系統(tǒng)，根據(jù)拱系和梁系交點處變位協(xié)調(diào)條件來確定拱系和梁系的荷載分配，以此進行拱壩應(yīng)力計算的方法。
[0028](2)綜合變形模量(comprehensive deformat1n modulus):在基礎(chǔ)某一特定區(qū)域內(nèi)，考慮各種巖體結(jié)構(gòu)(含軟弱結(jié)構(gòu)面和條帶)及基礎(chǔ)處理措施對壩基變形的影響，將該特定區(qū)域內(nèi)的非均質(zhì)基礎(chǔ)，根據(jù)變形等效的原則轉(zhuǎn)換成均質(zhì)基礎(chǔ)后的變形模量。
[0029]本發(fā)明中的基于變形等效的拱壩壩基綜合變形模量自動化計算方法包括以下實現(xiàn)方式:
[0030]1、綜合變模有限元計算模型標(biāo)準(zhǔn)化:
[0031]根據(jù)半無限地基理論假定，有限元模型范圍取足夠大時，可以近似認為和和實際地基對拱壩結(jié)構(gòu)的反應(yīng)一致。有限元計算區(qū)域的擬定，主要結(jié)合拱壩壩基位置、上下游地形、地質(zhì)條件及拱壩拱端推力及推力角的方向等因素來考慮。從標(biāo)準(zhǔn)化角度出發(fā)，按和拱端長度T的比例關(guān)系來控制壩基模型范圍，通過對比不同模型范圍對拱端變位影響，按變形趨于穩(wěn)定和收斂的方式進行搜索，確定合適的模型大小范圍。分析表明，標(biāo)準(zhǔn)化模型范圍基本要求應(yīng)為:拱端向上游延伸3T，向下游延伸5T，向下部延伸4T，向上部延伸2T，模型如圖1所示。
[0032]本發(fā)明推薦按和拱端長度T的比例關(guān)系來控制壩基模型范圍，模型基本形狀為“凹”字形，根據(jù)半無限地基理論假定，還可以采用半圓形、梯形等樣式的標(biāo)準(zhǔn)化模型，模型尺寸控制依據(jù)還可以為拱端下部基礎(chǔ)厚度等。
[0033]2、綜合變模有限元網(wǎng)格標(biāo)準(zhǔn)化:
[0034]根據(jù)研究，以減少網(wǎng)格數(shù)量、降低建模難度、提高建模效率，擬以標(biāo)準(zhǔn)模型為基礎(chǔ)，全按矩形進行模型單元網(wǎng)格劃分，單元尺寸為拱端長度T的l/n(n為拱端分段數(shù))。η數(shù)值越大，模型越逼近實際地基，為減少單元數(shù)量，通過對比不同拱端分段數(shù)對拱端變位影響，按變形趨于穩(wěn)定和收斂的方式進行搜索，確定滿足要求的最小拱端分段數(shù)。分析表明，標(biāo)準(zhǔn)化有限元網(wǎng)格拱端分段數(shù)應(yīng)為6。標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)格示意如圖2所示。
[0035]本發(fā)明推薦對標(biāo)準(zhǔn)模型全按矩形進行模型單元網(wǎng)格劃分，還可以根據(jù)需要，對基礎(chǔ)關(guān)注區(qū)域進行單元加密處理或稀疏處理，拱端分段數(shù)量還可加大，不局限于本發(fā)明推薦的數(shù)量6。
[0036]3、復(fù)合材料單元參數(shù)面積加權(quán)計算:
[0037]標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)格模型要求采用復(fù)合單元材料參數(shù)的差異模擬地質(zhì)、地形差異。復(fù)合材料單元參數(shù)很難用標(biāo)準(zhǔn)理論方式研究計算求得，但作為一種較為常用方式，可以采用面積加權(quán)方式求得。面積加權(quán)具體處理方式為:如單元跨變模分別為El、Ε2....En的多種巖體時，可求得各種巖體在該單元內(nèi)面積分別為Al、Α2…..An，則該單元的面積加權(quán)單元變模Ea = (E1XA1+E2XA2+......EnXAn)/(A1+A2+......An)。
[0038]本發(fā)明推薦的復(fù)合材料單元參數(shù)面積加權(quán)計算為簡單計算模式，針對多向異性材料還可分別進行加權(quán)處理，加權(quán)處理結(jié)果還可以根據(jù)需要進行比例調(diào)整。本發(fā)明除取得復(fù)合材料中各類巖體面積之外，還能獲取位置信息，根據(jù)多材料分布位置采用更為細致的方法進行參數(shù)處理
[0039]4、綜合變模自動化計算實現(xiàn)
[0040]按照標(biāo)準(zhǔn)化模型和標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)格進行計算時，為實現(xiàn)自動化處理，主要進行了兩部分程序開發(fā)。其一為CAD平臺下的標(biāo)準(zhǔn)化建模及復(fù)合材料單元參數(shù)提取工具開發(fā)，CAD下的標(biāo)準(zhǔn)建模及標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格劃分按普通方法進行，根據(jù)巖體材料標(biāo)識文字采用填充方式自動取得巖體數(shù)據(jù)，采用CAD框選、窗選集合對象過濾功能自動確認復(fù)合材料單元，采用CAD面域布爾運算交集功能實現(xiàn)復(fù)合材料單元內(nèi)各類巖體面積自動提取。其二為VB平臺下進行數(shù)據(jù)整合、有限元調(diào)用、等效計算工具開發(fā)，有限元計算采用ANSYS有限元程序APDL命令流隱式調(diào)用方式后臺自動進行，計算所需輸入數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、等效計算、數(shù)據(jù)整合則按一般要求進行。
[0041]本發(fā)明推薦采用CAD平臺進行建模和復(fù)合材料各類巖體面積求取，核心是布爾運算操作求巖體和單元的交集，現(xiàn)有的三維設(shè)計軟件、圖形軟件開發(fā)也能實現(xiàn)相似功能。本發(fā)明為提高效率，選擇ANSYS有限元程序APDL命令流隱式調(diào)用方式后臺自動進行有限元計算，其他商業(yè)軟件或自研軟件也可實現(xiàn)相似功能。
【權(quán)利要求】
1.基于變形等效的拱壩壩基綜合變形模量自動化計算方法，其特征在于，包括以下步驟: A.根據(jù)拱端位置確定模型范圍，通過對比不同模型范圍對拱端變位影響，按變形趨于穩(wěn)定和收斂的方式進行搜索，確定綜合變形模量有限元計算標(biāo)準(zhǔn)化模型； B.以綜合變形模量有限元計算標(biāo)準(zhǔn)化模型為基礎(chǔ)，通過對比不同拱端分段數(shù)對拱端變位影響，按變形趨于穩(wěn)定和收斂的方式進行搜索，確定滿足要求的最小拱端分段數(shù)，進行模型單元網(wǎng)格劃分； C.采用面積加權(quán)計算方式獲得模型中復(fù)合材料單元參數(shù)； D.自動化計算綜合變形模量。
2.如權(quán)利要求1所述的基于變形等效的拱壩壩基綜合變形模量自動化計算方法，其特征在于，步驟A中，按和拱端長度T的比例關(guān)系來控制模型范圍，標(biāo)準(zhǔn)化模型范圍基本要求為:拱端向上游延伸3T，向下游延伸5T，向下部延伸4T，向上部延伸2T。
3.如權(quán)利要求1所述的基于變形等效的拱壩壩基綜合變形模量自動化計算方法，其特征在于，步驟B中，按照矩形進行模型單元網(wǎng)格劃分。
4.如權(quán)利要求1所述的基于變形等效的拱壩壩基綜合變形模量自動化計算方法，其特征在于，步驟B中，所述有限元計算標(biāo)準(zhǔn)化模型中拱端分段數(shù)為6。
5.如權(quán)利要求1所述的基于變形等效的拱壩壩基綜合變形模量自動化計算方法，其特征在于，步驟D中，在進行自動化計算綜合變形模量時，采用ANSYS有限元程序APDL命令流隱式調(diào)用方式后臺自動進行有限元計算。
【文檔編號】G06F17/50GK104318030SQ201410605790
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月31日
【發(fā)明者】尹華安, 王仁坤, 胡云明, 劉翔, 張敬, 趙永剛, 邵敬東 申請人:中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司