当前位置：文档库 › 水工结构

水工结构

w w

w .i w h .c o m 七水工结构

1 学科方向

水工结构是水利工程一级学科下的二级学科。

水工结构学科是以各类水利水电工程建筑为研究对象，以数学、物理、固体力学、流体力学、水利施工与管理学为基础，紧密结合现代科学计算技术、数值模型和先进测试、试验技术手段，研究各类水利水电工程的设计、施工理论和方法的一个综合性学科。主要包括：各类水工建筑物的静、动力分析以及设计理论与方法，水工结构模型试验与原型观测，水工结构灾变机理、健康监测与加固理论与方法，新型水工结构，水工建筑物施工与勘测新技术，水工建筑物和环境的相互影响以及水工建筑物的退役评估理论与拆除方法。（引自国家自然科学基金委工程与材料科学部《学科发展战略研究报告.水利科学与海洋工程》，科学出版社，2007年1月）。就学科特点而言，本学科的发展依赖于交叉学科、计算机技术、试验技术、勘探量测技术等相关科学和技术的发展，水工结构的设计仍在很大程度上依赖于经验。

2 调研背景概述

当前，水资源的短缺正在成为21世纪最为严重的全球性资源危机。作为我国水利发展战略的重要组成部分，我国将陆续兴建一批以南水北调工程为代表的跨流域调水工程。这些跨领域调水工程的输水干线穿越分水岭及山岭地带，主要依靠水工隧洞引水。这些引水隧洞洞线长、埋深大、地质条件复杂，常常遇到高地下水、高地温、高构造应力等不利条件，且受强地震及大断层控制，将给设计和施工等方面带来极其复杂的技术难题，也为水工结构学科的发展提出了更高的要求。

同时，随着我国经济的不断发展，对电力的需求不断增大，开发我国丰富的水电资源成为水利水电建设的重要任务之一。在未来的20年内，我国计划在9条大江大河上新增水电装机容量1.7亿千瓦，拟建和在建的高坝40～50座，其中包括了小湾、锦屏一级等多座300m 级的高拱坝。在上述的工程项目中，大部分的关键建筑物均为超大型水工建筑物，而且这些建筑物多处于高山峻岭之间，地质和水文条件恶劣，结构本身以及施工过程都极为复杂。在工程的建设与运行

w w

w .i w h .c o m 中将会遇到大量复杂的工程问题，如大型地下洞室（群）、超长深埋隧洞、高坝设计、高坝安全、特殊地质条件、地震危害的影响等，这些都是世界级难题，也为大坝及地下结构计算分析提出了挑战性的课题。

建国以来，我国已建成的大坝有8万6千多座，据1999年统计，全国病险水库大坝超过3万座，占水库大坝总数的36％。因此，以大坝为主体的水利枢纽工程的安全分析评估是防洪减灾中一项极重要的工作，该项工作分析难度大，时效性强，迅速得出正确的分析成果对防汛指挥决策是否及时、正确至关重要。病险坝结构和修补加固措施的安全分析及混凝土结构生命周期性能预测评估，其计算规模大、难度高，目前的分析条件和手段，尚难以胜任。

水工结构学科具有很强的实践性，其学科产生与发展都是与实际工程的需要密不可分的。当前，无论从建设规模还是建设难度，我国都是世界水利水电建设的中心，所面临的水工结构问题也是世界级难题，工程实践的需要要求我国的水工结构工程学科积极迎接新的机遇和挑战，在现代水工结构科学技术理论与应用方面登上新的高峰。本调研报告材料的主要来源是国内外公开发表的专著、期刊文章、博士论文、会议论文等。附件中列出了历次国际大坝会议的主题，本调研报告引用的相关国际、国内著名期刊文章目录。

3 本学科发展新动向和值得关注点

3.1 本学科发展新动向和值得关注点

3.1.1 水工结构学科发展状况综述从本学科的研究内容而言，按照国家自然科学基金委的分类，可以分为以下几个方面：

（1）各类水工建筑物的静、动力分析以及设计理论与方法。该领域的研究包括大坝、厂房、地下电站、水闸、渠道、堤防、隧洞、渡槽和其他水工建筑物的静、动力分析理论和方法，以及在此基础上进行水工结构设计的理论与方法。各类水工建筑物的静力分析内容繁多，要考虑自重、水压、温度、地应力、冻融、干湿交替等复杂因素的综合作用，目前，水工建筑物的静力分析理论的发展方向是综合各种影响因素，研究能够全面、准确描述各类水工建筑物结构响应和破坏分析的新理论和方法。

w w w .i w h .c

o m （2）水工结构模型试验。水工结构模型试验是对水工建筑物的变形特性、失效机理和破坏模式进行全面研究的重要手段，同时也可以对水工结构分析理论和数值计算的结果进行验证。目前，对多相介质作用和材料非线性特性的模拟试验技术和试验理论的研究是这一领域的热点。

（3）水工结构灾变机理、健康监测与加固理论与方法。对各类水工建筑物的运行状况进行监测，对各类水工建筑物的性态进行评估是保证水工建筑物安全和验证设计的重要手段。目前，应该重点研究的是新的健康监测手段、基于信息技术和结构分析模型的健康监测理论和方法。同时，对大坝的正常工作安全年限与极限寿命开展研究，建立符合我国实际情况的溃坝风险分析方法和有效的病险库管理方法。此外，随着水利水电建设的发展，水工建筑物修补和加固越来越重要，需要新的评估理论和修补加固技术。

（4）新型水工结构。新型水工结构的研究重点应该是结合现在水利水电建

设的主要技术，提出新的结构形式。（5）水工建筑物施工与勘测新技术。施工新技术的应用是水工结构发展十分重要的领域，需要引入国外先进的施工技术，开展施工新技术方面的应用基础研究，以提高我国的施工管理水平。高质量的地质勘探技术可以探查或预测高水压、高地应力、高温、毒气瓦斯、岩爆、透水、塌方等地质灾害和发现岩溶、断层、大规模裂隙等地质缺陷，为水利水电工程的设计、施工提供基本资料。此外，对病险坝的病险情况进行快速而准确的检测，是除险加固的前提，因此，应用和发展病险坝的检测新技术也是这一领域的一个值得关注点。（6）水工建筑物和环境的相互影响和水工建筑物的退役评估理论与拆除方法。与自然协调、保护环境、河流生态修复已经成为水利水电建设的一个发展趋势，应该通过与环境、生态等学科的交叉，建立水工建筑物对环境、生态影响研究的定量评估理论与评估方法体系。同时，研究环境因素对水工建筑物的老化、损伤和破坏的影响。在此基础上，建立水工建筑物退役的前评估、后评估方法和理论体系，研究水工建筑物的拆除方法和技术。

本调研报告以“各类水工建筑物的静力分析以及设计理论与方法”为调研重点，以混凝土坝为主要调研对象。 3.1.2 混凝土坝的静力分析及设计理论与方法

w w w .i w h .c

o m 按照混凝土坝静力分析以及设计理论与方法的逻辑顺序，本节从以下4个方面阐述这一领域的国际前沿进展：（1）混凝土坝材料的本构关系与分析模型；（2）混凝土坝结构数值模拟方法进展；（3）有限元方法在混凝土坝静力分析中的应用；

（4）混凝土坝设计理论与方法的新进展。

（1）混凝土坝材料的本构关系与分析模型

1）混凝土的本构关系与分析模型

混凝土是一种广泛应用的建筑材料，其本构关系和强度理论是结构分析的基础，一直以来都得到了研究人员的重视。从早期的最大正应力理论、最大应变理论、von-Mises 强度理论一直到目前研究多轴蠕变、多轴损伤、断裂、破坏力学和细观力学的各种新的强度理论，混凝土材料的本构与强度理论一直在不断的发展。到目前为止，已有上百个理论模型或准则。但是，很多强度理论并没有得到推广和应用，这不仅是因为很多模型缺乏足够的试验数据的支持，而且常常由于计算公式复杂，所需参数众多，还需要较多的实验才能确定材料常数。

随着多年来对混凝土本构关系研究的深入，混凝土材料的数值力学模型与分析方法也得到了迅速的发展。固体力学中提出的本构关系，都有学者试图将其应用于混凝土材料。从早期的线弹性模型、非线性弹性模型、弹塑性模型发展到内时理论模型（Bazant Z.P. & Bhat P., 1976）、断裂力学模型(Kaplan M.F., 1961)、损伤力学模型(Dogill ,1976)以及多种组合模型(Frantziskonis G , Desai C S, 1987, Chen W F, 1993, Mazrs J, Pijaudier-Cabot G . 1996)。在诸多模型中，断裂力学模型和损伤力学模型受到了广泛的关注，取得了很多积极的进展。断裂力学用于混凝土材料方面的研究首见于1961年Kaplan 的论文，近年来，模拟混凝土开裂软化行为的非线性断裂力学模型是这一领域的研究热点,包括1976年Hillerborg 提出的虚拟裂纹模型和1983年Bazant 提出的钝断裂带模型。虚拟裂纹模型将混凝土裂缝扩展前的带状微裂区简化为一条分离的虚拟裂缝，缝面上传递的应力和其张开位移之间有确定的关系，并呈现应变软化。近年来，Sundara Raja Iyengar 等分别采用不同方法将虚拟裂缝模型与解析方法联合应用于混凝土结构的开裂分析；而在模拟卸载段及多条裂纹情形，考虑塑性变形，将虚拟裂缝模型与弥散裂缝模型联合使用等方面也有丰富的研究成果。Carpinteri 等学者较早地将虚拟裂缝模型应用于混凝土坝的开裂分析。在钝断裂带模型中，裂缝用一条含密集、平行裂隙的断裂带来描述，裂缝带内的材料具有应变软化的材料属性，断裂带外的材料保持为线弹性。近年来，已有学者将钝断裂带模型应

w w w .i w h .c

o m 用到混凝土坝的非线性断裂分析。此外，为克服这两种模型在混凝土断裂分析中的尺寸效应和网格敏感性，还在固定裂缝模型的基础上，发展了旋转裂缝模型。近年来发展的混凝土非局部化模型（Bazant Z P, 1990）和随机格构模型（Bazant Z P, 2002）可以更完备地反映混凝土的力学特性，但对网格的要求更高。目前，非局部平均化的思路已经在弹塑性、损伤、弥散裂缝和微平面等类型的本构模型中得到应用和发展。关于混凝土的动力断裂研究业已开始起步，但研究尚不成熟。国外学者对混凝土的断裂分析中的研究尚不多见，还需要试验验证。目前，研究混凝土的动力损伤断裂问题已经成为混凝土破坏理论乃至断裂力学的一个前沿。 1976年，Dougill 将损伤力学引入混凝土材料研究。损伤力学的两大基本问题是定义损伤变量和确定损伤演化。目前，损伤定义问题已经基本得到解决，而损伤演化问题一直是困扰损伤力学顺利发展的问题，也是确定损伤量和制约损伤力学工程应用的关键。Krajcinovic 认为以实验为基础，获得比较直观和经验的数据，并在一定理论指导之下用唯象学的方法建立相应的演化方程是当前很有效并较为实际的选择。混凝土的损伤宏观上表现为：①刚度下降；②应力峰后的强度降低；③拉压状态不同；④压缩状态下侧压增加时的强度和延性的明显增长；⑤单向效应；⑥前一时步的压缩损伤引起的拉伸力学性能降低。在Mazars 和Loland 的模型中，①和②两项可以体现，其他几项不同体现。最近发展的模型(Tao Xiaoya, 2000,Ma G ,2003)已经可以考虑③～⑥项的因素。Faria 等人(2004)考虑混凝土的拉压损伤并考虑循环荷载下的刚度恢复，建立了相应的损伤模型，应用于拱坝结构，得到中等地震作用下拱坝的损伤响应。大坝工程中混凝土的材料性能一般依靠标准试件的试验来确定，但实际上，大坝混凝土实际强度与设计强度有较大差别，特别是湿筛法试验强度与全级配混凝土强度的差别，长龄期混凝土的真实强度等问题都影响着混凝土坝的计算分析与安全评价的真实性。目前，关于这方面的研究已经提上议事日程（朱伯芳，2006）。

为全面认识大坝混凝土的力学特性，需要进行规模较大的全级配大坝混凝土的强度试验。这些试验既费钱又受到设备条件的限制，且少量试验还难以得出规律性成果。为此，近年来一些学者开始探索基于细观力学对混凝土内部强度破坏机理的研究，利用分形理论等（Mechtcherine V , 2001）研究混凝土的破坏面特性及其对宏观性能的影响成为理论研究的前沿课题。在数值方法方面，把混凝土作为由不同粒径骨料和砂浆基体组成的不均匀随机分布的复合材料，采用力学理论

w w w .i w h .c o m 对这类复合材料的试件进行结构分析，研究其承受荷载后的破坏机理，即基于所谓“数字混凝土”概念的研究。但目前一般仅局限于静态的和二维的情况，对三维模型，按实际大坝混凝土级配实现骨料的随机分布有很大困难；包括界面层在内的网格划分也会导致难以实现的巨大计算工作量；细观力学模型中各组成部分和接触面的本构关系也缺乏试验数据；此外试件破坏过程的非线性动态分析方法及动态加载率效应的考虑方式等，也都有待深入研究解决，这类细观力学分析结果的试验验证和比较也比较匮乏。

2）钢筋混凝土本构关系与分析模型

钢筋混凝土是另一种重要的水工材料，由于钢筋－混凝土之间的粘结－滑移

效应（bond-slip effect ），咬合作用（aggregate interlock ）以及钢筋销栓作用（dowel action ）等因素，使得钢筋混凝土的本构模型非常复杂。钢筋混凝土的数值分析模型有3类：分离式（Discrete ）、嵌入式（Embedded ）和分布式（Distributed ）。分离式模型分别离散钢筋和混凝土组分，并在二者交界面设置联结单元模拟钢筋－混凝土相互作用；嵌入式模型将钢筋置入混凝土单元内部，通过位移约束条件强制二者变形协调，并在单元矩阵上叠加钢筋和混凝土组分的刚度贡献；分布式有限元模型是将钢筋均匀弥散到混凝土单元内，然后作为复合材料单元，在材料点本构矩阵上叠加钢筋和混凝土组分的刚度贡献。近年来，在分离式模型方面，Prasad （2002）和Yang （2005）等应用网格重划分技术，Norberto （2005）结合嵌入裂缝模型，模拟了钢筋混凝土构件的加载破坏过程，反映了裂缝截面钢筋屈服、钢筋－混凝土相互脱离、裂缝两侧剪切滑移等失效破坏现象，其裂缝分布形态与试验结果具有可比性。基于弥散裂缝概念，Lowes （1999）和Jendele （2006）研究了钢筋混凝土构件在单调、往复荷载作用下的承载力响应。

在嵌入式模型方面，Polak （1998）、Song （2002）、Zhang （2007）等研究了钢筋混凝土框架结构与板壳结构的非线性反应。1984年，Kaba 提出了纤维单元模型，这一模型沿梁高、宽方向将梁单元细分为多条纤维块，并根据钢筋位置区分出钢筋纤维与混凝土纤维，然后按照分层组合单元思路建立平衡方程。应用纤维单元模型，Petrangeli （1999），叶列平（2006）等国内外学者，在钢筋混凝土框架结构、板壳结构的非线性反应研究领域，取得了一定进展。Spacone （2000）和Monti （2001）分别基于柔度和刚度格式建立了改进的纤维单元模型。

分布式（Distributed ）模型在国内被称为整体式模型。东京大学Maekawa

w w

w .i w h .c

o m （2003）领导的研究小组，综合混凝土、钢筋非线性本构关系与相互作用机理，建立了钢筋混凝土数值分析模型。Nam （2006）还实现了钢筋混凝土结构由于地震荷载导致的剪切破坏仿真分析；Soltani （2003，2005）通过引入裂缝局部粘结－滑移、骨料咬合、销栓效应等相互作用机理的本构描述，精确模拟了裂缝局部的应力场，据此研究了相互作用效应对构件非线性反应的影响。多伦多大学Vecchio 领导的研究小组提出了受压场理论（Compression-Field Theory ）（1986）。应用受压场模型，Palermo （2003，2004）等研究了钢筋混凝土结构在往复加载作用下的非线性反应。Vecchio （2001）通过改进受压场理论的裂缝面剪切作用模拟方式，提出了分布应力场模型（Distributed Stress Field Model ），进一步提高了钢筋混凝土结构承载力的模拟精度。休斯顿大学Hsu 领导的研究小组，针对膜单元提出了软化杆模型（Softened Truss Model ）（1995）和软化膜模型（Softened Membrane Model ）（2002）。Mansour （2005）发展了考虑往复加载作用的软化膜模型，并用于分析钢筋混凝土结构的静动力剪切变形。在水工结构中，闸门、孔洞、蜗壳等大体积混凝土周边存在大量的钢筋混凝土，随着钢筋混凝土计算分析模型的成熟，这些计算模型有望得到广泛应用。

（2）混凝土坝结构数值模拟方法进展

随着数值分析方法的进展和计算机技术的进步，数值分析在混凝土坝应力分析中的应用日趋广泛和重要。相对于理论分析而言，数值分析的适应面广，能解决更为复杂的问题；相对于模型试验方法，数值分析在节省财力、安全性、易操作性、参数分析等诸多方面有着明显的优点。因此，利用数值方法对混凝土坝进行静力分析和安全评估已成为该学科领域内主要的研究手段。目前，混凝土坝结构的数值模拟方法分为连续介质方法和非连续介质方法，其中连续介质方法包括多拱梁法、有限差分法、有限元法、边界元法、无限元法、无单元法及多种耦合方法、非连续介质方法包括刚体极限平衡法、刚体弹簧元法、离散单元法、非连续变形分析、数值流形方法等。

1）连续介质方法

多拱梁法在拱坝分析与设计中发挥了巨大的作用，目前这一方法已成熟且被广泛应用。由于这一方法经历了长时间的研究和应用，且与有限元等现代数值方法相比，存在不能模拟地基变形等固有缺陷，近年来关于这一方法本身有价值的研究成果已不多见。

w w w .i w h .c o m 有限差分法是一种古典的方法，在混凝土坝领域曾被广泛应用于渗流分析和地震地面运动分析，它也比较适合于连续介质非线性大变形问题的求解。美国Itasca 公司开发出了三维连续介质快速拉各朗日差分程序－FLAC 用以模拟岩土和其他材料的三维力学行为。国内有学者（寇晓东，2000）采用三维快速拉格朗日法进行了考虑坝体和坝基的相互作用的小湾拱坝三维整体稳定性分析。

在众多的数值方法当中，有限元法（FEM ：Finite Element Method ）无疑是计算力学领域内发展最为成熟、应用最为广泛的方法。自上个世纪50年代诞生以来，FEM 已经从解决小变形、线弹性问题发展到解决大变形、非线性问题；从结构分析发展到结构应力、温度、渗流耦合分析；从静力学问题分析发展到动力学分析。目前，利用FEM 进行大规模仿真分析已经成为水工结构的总体设计、过程控制和安全评估中的重要工具。本报告将在下一节针对有限元在混凝土坝静力分析中的应用专门阐述。

1967年，Rizzo[35]将边界元法（Boundary Element Method ）（BEM ）引入到弹性静力学问题的研究中。和FEM 不同的是，BEM 只需在边界上进行单元离散，降低了维度；采用了基本解，是一种具有半解析特性的数值方法，有着良好的求解精度；基本解自动满足无限远处边界条件，使得BEM 尤其适合于分析无限域问题。但在处理非线性问题上的适应性和大规模问题的求解效率上，BEM 还存在着不足。近年来，Touhei 和Ohmachi （1993）利用有限元边界元耦合对坝－地基－水库系统的动力相互作用进行了分析。张楚汉、金峰（1995）提出了有限元－边界元－无穷边界元的耦合时域模型FE-BE-IBE ，分析了高拱坝在地震激励下的响应。运用边界元方法进行坝基渗流场分析是另一个较为成功的领域，Jeng-Tzong Chen 等（2007）利用边界元方法研究了渗流自由面问题，程长征等（2006）利用边界元方法研究了近坝基面渗流问题，李新强、陈祖煜等（2006）研究了考虑三维裂隙网络的渗流问题。

FEM 、BEM 和FDM 是典型的连续介质数值方法。此外，无穷元法（IEM ：Infinite Element Method ）、比例边界有限元法（SBFEM ：Scaled Boundary Finite Element Method ）等连续介质数值方法以及各种耦合方法都已在水工结构分析中得到应用。

以有限元为代表的上述数值方法的特点是都需要在求解域内预先划分网格或单元进行离散，这种近似函数构造中的网格依赖性会带来以下局限：①网格划分的成本高；②求解精度受网格影响大；③自适应分析的困难；④不易构造高阶

w w

w .i w h .c o m 连续场。当然，上述局限并不影响基于网格单元类方法进一步的理论发展和实际应用。特别是FEM 目前仍是计算力学领域内占统治地位的数值方法。但基于网格类方法的上述局限一定程度上促成了无网格法的兴起，尤其是近10余年来，对无网格法的研究是计算力学领域内最活跃的分支之一。

无网格法的本质特点是构造近似函数时无需预先形成网格。这使得无网格法摆脱了网格依赖性，大大减少了前处理的工作量；同时，无网格法易于实现自适应分析，具有应力计算精度高等优点。比较常用的无网格法有光滑粒子动力学法（SPH ：Smooth Particle Hydrodynamics ，1977）、广义有限差分法（GFDM ：Generalized FDM ，1980）、无单元伽辽金法（EFGM ：Element-free Galerkin Method ，1981）、自然单元法（NEM ：Natural Element Method ，1995）、h-p 云团法（h-p Clouds ，1996）、以及扩展有限元法（XFEM ：Extended Finite Element Method ，1999）等。目前，国内已有许多学者对各种无网格法进行了研究。同FEM 相比，无网格法虽然具有很多优越特性，但也存在很多不足。其中，缺乏大型软件平台尤其使无网格法的推广应用受到限制。无网格法的应用水平与FEM 目前的应用水平相比还存在较大差距。但随着计算机技术的进步和众多学者的努力，无网格实现在复杂实际问题上的应用无疑也将为水工结构的仿真分析带来巨大进步。

2）非连续介质方法混凝土坝与复杂地基的相互作用对坝体的计算分析与安全评估存在很大影响，而由于受断层、节理、裂隙、软弱夹层等诸多结构面的影响，复杂岩质地基问题在本质上是非连续介质问题。为了考虑非连续界面对结构力学响应的影响，各种非连续介质数值方法也相继被发展和应用。其中典型的有刚体极限平衡法，刚体弹簧元法（Kawai ，1976），离散单元法（Cundall ，1971），非连续变形分析（DDA ）（石根华、Goodman ，1985，1989）。

刚体极限平衡法是拱坝坝肩稳定分析和重力坝抗滑稳定分析的主要方法，该方法的长期工程应用已积累了较丰富经验和偏于安全的稳定判别准则。目前这一方法本身的研究热点是三维极限平衡分析方法。在该方法的应用层次上，设计中所采用的分析标准，破坏机制的确定，水荷载的施加方式等方面尚未形成普遍接受的统一算法，这些方面是业内比较关注的热点（李瓒，2000）。

离散元方法是又一种应用较为广泛的数值分析方法。自1971年Cundall 提出以来，获得了长足的发展。其中，第一个变形体离散元大型软件包UDEC （1980），以及三维变形体离散元商业软件包3DEC （2003）的问世为离散元方

w w w .i w h .c o m 法的应用开拓了广阔的前景。在离散元方法的自身方面，近年来，Kremmer 和Favier （2000）研究了三维刚体的转动，其将块体的转动方程转换到块体的惯性主轴空间中以使转动方程简化；Munjiza 等（2003）基于4阶Runge －Kutta 积分法形成了直接积分法分析了不规则刚性离散单元的转动问题；张冲等（2007）发展了简单变形体离散元方法。在工程应用方面，王洪涛（2000）运用裂隙岩体渗流模型与离散元力学模型耦合分析了乌江构皮滩水利枢纽水垫塘两侧岩质高边坡的稳定性；周庆科、金峰（2003）提出了离散单元法的饱和/非饱和渗流模型，并应用于暴雨入渗条件下岩质边坡的变形和稳定分析。王刚、金峰（2000）发展了适用于离散元方法的岩体结构面的流变模型，以模拟离散介质结构面的流变性质。崔玉柱、张楚汉（2001）用离散元方法研究了梅花拱坝的上滑失稳分析和Malpasset 拱坝破坏机理的研究。此外，离散元与其他数值方法的耦合也是一个近年来一个重要的研究方向，王涛等(2005)将直接法产生的节理网络模拟技术与三维离散元程序3DEC 结合，对结构面控制型的工程围岩破坏问题提供了一种实用的方法。金峰、贾伟伟等(2001)提出了二维变形体离散元和时域动力边界元的耦合模型，将非连续体的模拟与无限介质辐射阻尼的模拟统一到一个模型中。Han 等人(2000)采用有限元和离散元的耦合来处理二维和三维高速碰撞成模过程；Onate 和Rojek(2004)应用散粒体离散元与有限元的耦合研究了地质力学中岩石材料的拉压试验和岩石的切割模拟。有限元和离散元耦合的另外一种形式是在求解离散单元体内的变形方面，在这方面工作做的较多的是英国学者Munjiza 和Owen 等(2000，2004，2001)，他们系统地研究了该耦合方法中涉及到的接触检索方法、参数选取、运动方程的建立和求解以及非常适合应用于离散元计算中的并行算法等，并应用这一方法做了较多的数值试验，同时初步探讨了在该耦合方法中流固耦合问题的求解。

非连续变形分析方法（DDA ）可以视为介于DEM 与FEM 之间的一种数值方法，该方法在块体离散上类似于DEM ，在位移场表达和离散方程的形成上接近于有限元。由于DDA 具有有限元法和离散元法的优点，自提出以来就得到国内外学者的广泛关注，并在实际工程中得到应用。首先，在方法本身，近年来，Mortazavi A 等（2001）对石根华提出的DDA 进行了扩展，增加了爆破问题的模拟部分；Jing 等（2001）将DDA 扩展到了流固耦合问题；Wu Y 和Wang H 等（2003）推导了球面坐标系下DDA 计算的各项公式；在块体内场函数值精度、物理接触模拟方法、刚体旋转带来的计算误差的修正、对散粒体的模拟、能量损失机理的

w w w .i w h .c o m 改进等方面，Cheng 等人（1994，2000）做了大量的工作。其次，在DDA 方法的验证方面，Doolin DM 和Sitar N 等（2002）通过与斜坡上块体滑动的解析解对DDA 方法进行了验证；MacLaughlin MM 、Hayes MA 、Wright CA 等（2005）通过实验方法对DDA 进行了对比验证，发现了DDA 方法中常应变块体模型在应用中的不足，分析了计算中产生误差的原因，指明了进一步研究的方向。此外，三维DDA 是DDA 研究领域的一个新热点。2001年，石根华在二维理论的基础上提出了三维DDA 理论。三维DDA 物理接触的模拟与检索是其研究热点和难点。姜清辉、Yeung MR 、Wu JH 等（2003，2005）做了大量的研究工作。目前，在实际的三维分析中，带尖角的不规则多面体的接触判断是一个仍未解决的难题。在DDA 方法的应用方面，刘红岩和姜清辉（2004）将二维DDA 应用于岩石冲击破坏的模拟分析；张国新等（2004）利用二维DDA 方法分析了重力坝的抗滑稳定性；邬爱清等（2005，2006）利用二维DDA 模型对复杂地质条件下地下厂房围岩及高边坡的变形与破坏特征进行了研究；Pearce C J （2000）应用DDA 对混凝土材料从连续体到裂纹开展再到断裂的全过程进行了模拟分析；MacLaughlin M 和Sitar N 等（2001）应用DDA 方法研究了边坡稳定问题，并与极限平衡方法和有限元法进行比较，指出两种传统方法的局限性以及DDA 作为裂隙岩体边坡稳定分析方法所具有的不可替代的优势；Wu J H 、Ohnishi Y 等（2004）将DDA 应用到节理岩体中隧道开挖问题的研究中；Hatzor Y H 等（2004）应用DDA 对一个高度离散化的岩体边坡的动力稳定性进行了研究。Sitar N 等（2005）对边坡的静动力稳定进行了研究，同时对一个实际的滑坡过程进行了DDA 模拟，并与传统分析方法进行了对比；Moosavi M 等（2006）提出了DDA 中缆索锚固单元模型，用于模拟岩体的锚固效果。鉴于DDA 适用于描述完全非连续介质，石根华又在此基础上提出的数值流形方法(NMM ：Numerical Manifold Method ，1991)，它在理论上可视为DDA 和FEM 的统一形式。自从数值流形方法提出以来，国内外学者对其进行了大量的研究，主要包括数值流形方法的覆盖系统和计算精度、数值流形方法的不连续面模拟、数值流形方法的工程应用等方面。近年来，在数值流形的覆盖系统方面，张国新等（2000）数值流形方法的覆盖函数推广到二阶的情况，Jeen-shang Lin 等（2001）将数值流形方法的覆盖函数推广到任意阶的情况，使数值流形方法的变形分析具有更高的精度；在数值流形方法的不连续面模拟方面，Lin .C.T 等人（1994）用改进的拉格朗日乘子法解不连续面变形问题，消除了罚函数方法中罚

w w w .i w h .c

o m 参数的不确定性问题。NMM 具有严格数学基础，能统一进行连续－非连续分析；其插值域（数学网格）与积分域（物理网格）相分离的特点使得在NMM 中近似函数的表达不依赖于网格构形，理论上可以描述任意阶的场函数。但NMM 也存在着计算效率不高、三维实现困难等不足，限制了其在水工结构应力分析中的应用。目前，数值流形方法的工程应用主要几种在两方面，一是对大变形的模拟（王芝银，1997，Sasaki T ，1997），二是对裂纹扩展的模拟（Zhang G X,1997，Tsya Ren ，1997），最近张国新（2007）等利用流形元方法模拟了岩体裂纹扩展到大变形倾覆的全过程。

综上，混凝土坝结构数值模拟方法的根本目的是运用数值计算方法对混凝土

坝的工作性态进行合理评估和准确预测，从而指导混凝土坝的设计、施工与运行管理。而实际上，由于地基岩体受节理裂隙切割，与混凝土坝组成一个连续－非连续耦合介质，其本构关系表现出一定的粘弹塑性和接触非线性，且其受力破损特性是由小变形到大变形，从连续到非连续的过程。运用数值模拟方法对混凝土坝运行－失效－破坏的全过程是水工结构研究领域的一大热点和难点。

（3）有限元方法在混凝土坝计算分析中的应用目前，现代数值分析方法已经成为了混凝土坝设计与评估中的主要方法，而其中应用最广泛的就是有限元方法。无论是在重力坝拱坝应力分析，重力坝拱坝稳定分析，坝基渗流场分析，还是在拱坝施工期温度应力分析领域，有限元方法都发挥着巨大的作用，而且已经被工程技术人员广泛接受。

1）裂隙渗流研究进展在混凝土坝设计中，坝基扬压力是重力坝设计的基本荷载，而拱坝坝基及拱座稳定分析时必须计算扬压力的作用。对于中小坝，一般直接采用规范推荐的扬压力图形来考虑，而对于高坝，特别是坝高超过200m 的特高坝，就需要进行专门的渗流场计算，而有限元方法是渗流场计算理论研究最成熟、应用最广泛的数值计算方法。混凝土坝一般都建立在岩基上，与土基中的渗流问题不同的是，岩基中存在着大量的节理、裂隙、断层等渗透通道，岩块本身的渗透性要远小于这些渗透通道，岩基中的渗流问题表现出与土基渗流问题不一样的特性。20世纪50年代中期，前苏联学者JOMM.T.O 就发表了有关裂隙岩体渗流的研究成果，近年来又提出了“裂隙水力学”的概念，但是，目前还没有一种公认有效的计算模型，裂隙岩体渗流问题仍然是工程渗流领域研究的热点。

第一，渗透结构面的水力特性是裂隙岩体渗流分析的基础，在渗透结构面几

w w w .i w h .c o m 何要素的描述方面，谢和平（1992）提出了分数维表征法，Barton （1997）提出了节理粗糙度系数JRC 法；在单裂隙渗流研究方面，Elsworth （1986），周创兵（1996）等根据对粗糙度定义的不同分别提出了相应的修正立方定律，杨米加等（2001）从单裂隙细观结构出发得到了不规则裂隙的渗透规律，刘才华等（2007）研究了三轴应力作用下岩石单裂隙的渗流特性；目前，单裂隙渗流特性研究比较多，对于2条及多条裂隙任意分布的岩体渗流特性研究成果还不多见，试验基础也比较薄弱。

第二，岩体水力学参数的确定是裂隙岩体渗流计算精度的保证，就确定方法而言，主要包括现场试验方法、理论解析方法和反分析方法，单孔压水试验方法仍是目前实际工程中岩体渗透性评价的主要方法。在理论解析方法方面，Oda 等（1985）采用统计理论推求岩体的渗透系数张量，周创兵等（1996）根据渗流能量叠加原理提出了裂隙岩体渗透系数张量的新模型。反分析方法确定岩体水力学参数是目前这一领域的研究热点，脉冲谱法是渗流参数识别的一种半解析方法，可用来求解一些简单的问题；数值优化方法是第二类渗流参数反分析方法，它把渗流参数的反分析问题转化为优化问题，从而采用诸多优化计算方法来求解渗流参数；利用遗传算法、神经网络方法进行渗流参数的反分析，有着较好的应用前景，目前的研究尚处于起步阶段，Sawyer C S(1995)，Mukhopadhyay A(1999)，Morshed J （1998），李守矩（2004）、王媛（2004）等进行了一些开创性的工作。

第三，现今裂隙岩体渗流计算模型主要有：等效连续介质模型、离散裂隙网络模型、裂隙-孔隙双重介质模型、随机渗流模型和多场耦合模型。其中，等效连续介质模型（Khaleel ，1989，张有天，1991，仵彦卿，1997）的应用最为广泛，该模型忽略裂隙系统和孔隙系统之间的水力交替过程，认为岩石孔隙介质与裂隙网络均匀分布于整个研究域内，它的优点在于只需要确定岩体中少量裂隙几何水力参数的统计值，并且在理论和解题方法上均有较成熟的基础和经验可以借鉴，其缺点在于不能很好地刻画裂隙的特殊导水作用，在某些情况下数值模拟与实际情况有相当地出入。离散裂隙网络模型（Louis ，1974，Wittke ，1990，仵彦卿，1997）认为水由一条裂隙流向与之交叉的另一条裂隙，着重考虑裂隙的导水作用，视岩体为简单的裂隙介质，其优点在于抓住了裂隙渗流的本质特征，很好地描述了裂隙水的运动规律，能比较真实地反映裂隙网络中的实际渗流状态，其缺点是裂隙渗流水力参数生成存在较大困难，计算模型过大而难以有效计算，在实际工程中很难应用。裂隙－孔隙双重介质模型（Barenblatt ，1960，Zimmerman ，1996，

w w w .i w h .c o m 仵彦卿，1998）认为裂隙岩体由孔隙性差而导水性强的裂隙系统和孔隙性好而导水性弱的岩块孔隙系统共同构成的统一体，并假定岩块孔隙系统和裂隙均充满整个研究域，把裂隙网络等效为连续介质，其优点在于考虑了裂隙的强导水性，孔隙的过水面以及两者之间的流量交换，更接近于工程实际，其缺点在于没有考虑裂隙岩体不均匀性和各项异性的实际情况，任意一点存在两个渗透压力也不符合实际情况。离散介质－连续介质耦合模型（Clemo ，1989，王洪涛，1998）认为裂隙岩体由数目众多、密度较大的小型裂隙和数目不多并起主要导水作用的大中型裂隙组成的混合介质，大中型裂隙和小型裂隙分别按照离散介质和连续介质模拟，其优点在于既能反映裂隙的导水作用，又能反映岩块贮水作用，更接近实际，缺点是两类介质接触处的水量交换难以准确确定，且两类水流运动方程给数学处理带来了不便，工作量大。随机渗流模型（Follin ，1994，曹敦侣，1995）是考虑裂隙、节理、断层等不连续结构面难以确定，对几何分布参数和水力特性作为随机变量处理，从而考虑渗流场分布的随机性。多场耦合模型主要是考虑到岩体渗流特性与其他场变量（应力场，温度场）发生相互作用而建立的一种模型，它可以采用前面提到的等效介质模型（王鹏，2003，杨天鸿，2003）、裂隙网络模型（王洪涛，2000，仵彦卿，2000）、双重介质模型（吉小明，2003）与应力场耦合研究，近年来也有专家（李鹏辉，2006）研究了渗流与温度场的耦合问题。今后，这一领域的研究重点是通过试验等多种手段进行渗流和应力场耦合的机理研究，以及改进模型反演方法使得数值模拟更逼近与工程实际的应用研究。

第四，在工程应用方面，利用排水孔降低水工建筑物基础中的渗透压力是增强抗滑稳定性的重要工程措施，但排水孔是渗流场中的奇点，如何考虑排水孔的作用是渗流场有限元分析中的一个难点。为了使计算水头接近实际水头，必须减小孔附近单元的尺寸，通常排水孔半径为0.05～0.10m ，为了保证计算精度，孔附近单元尺寸应减小到0.10～0.20m 左右，而地基单元尺寸通常为5～20m ，因此，单元尺寸必须从5～20m 逐步缩小到0.10～0.20m ，前处理工作量和结点数急剧增加。为了解决这个矛盾，朱伯芳（1982）提出杂交元法，张有天（1982）提出边界元与有限元耦合法，王镭等（1992）提出子结构法，这些方法用来分析单个坝段是方便的，但用来分析全坝的渗流场，仍有困难，前处理及计算量仍然过于庞大。王恩志等（2002）提出以缝代孔列，计算工作量得以减小，但以三维空间中的面状单元模拟缝的作用，计算仍较费事，且以流量相等为条件确定膜单元的渗透系数，排水效果的计算精度也可能偏低。朱伯芳（2007）提出以等效排

w w w .i w h .c o m 水夹层代替排水孔列，利用普通三维渗流程序，即可分析有排水孔的三维渗流场，计算很方便，且提出根据平均水头相等的条件来决定夹层的渗透系数，使计算精度得以显著提高。

2）有限元方法在混凝土坝应力与稳定分析中的应用

混凝土坝的应力和稳定是关系到混凝土坝安全的两大主题。国际坝工界对这一问题十分关注，几乎历次国际大坝会议都涉及到这一问题。当前，我国是混凝土大坝建设的中心，一批超大型混凝土坝工程正在建设中，也带动了我国相关领域的研究进展，我国在混凝土坝应力和稳定分析应用研究方面已走在世界前列。在有限元方法进行混凝土坝应力分析方面，坝踵区的应力集中问题是阻止有

限元方法更有效应用的主要障碍之一。国际知名坝工专家Martin Wielend （2007）专门撰文研究了这一问题，利用2D 、3D 线弹性、弹塑性有限元研究了一座250m 级拱坝的坝踵应力问题，指出拱坝坝踵应力集中可能导致基岩、混凝土坝以及两者界面上的裂缝，特别是如果界面强度较弱时更有可能沿建基面开裂；缝面水压极大地增加了裂缝开裂的深度和开度；地基刚度越大坝踵最大拉应力越大；对于厚拱坝而言，由于剪应力不会随着坝踵裂缝的扩展而有太多增加，裂缝常常是稳定的，而对于宽河谷上的薄拱坝而言，由于开裂严重影响了其抗剪性能，因此坝踵裂缝往往会成为一个主要的风险。浇筑过程、横缝灌浆、库盆水压的施加方式等因素对拱坝坝踵应力也存在明显影响（张国新，2006），实际工程应用中如何施加库盆水压也是需要解决的难题。用非线性有限元研究坝踵应力集中及开裂风险问题是有限元方法应用于混凝土坝应力分析的一个重点。本报告前面提到的各种混凝土断裂、损伤模型几乎都应用于拱坝坝踵应力分析，例如，Carpinteri （1992）、Feltrin （1990）等学者利用虚拟裂缝模型应用于混凝土坝的开裂分析，Espandar 和Lotfi 等（2003）基于非正交弥散裂缝模型和弹塑性模型研究了伊朗Shahid Rajaee 拱坝的开裂，周元德等（2004）利用基于断裂带理论发展起来的旋转裂纹模型研究了Kolnbrein 拱坝的坝踵开裂问题，模拟结果与实际开裂符合较好。尽管诸多数值方法在研究混凝土坝坝踵应力集中及开裂研究方面取得了诸多进展，但是，如何将这些研究成果应用于工程设计还存在明显的困难：不同计算模型、方法与网格尺寸得到的结果往往相差很大。2002年，张楚汉等提出了高拱坝坝踵开裂的工程类比法，用可比的网格和标准，相同的开裂模型对比分析在建运行良好（二滩），发生事故（Kolnbrein ）与所要分析的对象（小湾），从而判断小湾拱坝的坝踵开裂安全，

w w w .i w h .c o m 目前，工程类比法已成为我国在建重要工程进行安全评估的重要方法。

有限元方法应用于重力坝拱坝抗滑稳定已经比较广泛，一类是通过有限元方法求得应力以及滑动面的内力，利用刚体极限平衡方法求的抗滑稳定安全系数（章青，2007），第二类是运用非线性有限元方法，通过超载或降强求出重力坝、拱坝的整体稳定安全系数（周维垣，2000，葛修润，2003，张国新，2005）。周维垣等利用非线性有限元超载方法研究了小湾拱坝的超载安全系数，研究中模拟了地基中的主要构造断层；葛修润运用三维有限元方法研究了三峡左岸厂房3＃坝段深层抗滑稳定问题，计算模型中将几十组重要的长大缓倾角断续结构面和断层按照其真实产状和面积纳入有限元模型中，并提出用坝踵的水平位移与强度折减系数之间的关系曲线作为安全系数的评判标准；张国新等运用有限元仿真分析方法研究了陈村拱坝的施工期应力历史，针对陈村拱坝诸多缺陷，对比研究了是否考虑施工期应力和坝体混凝土现有缺陷对拱坝超载安全系数的影响，指出施工期应力、坝体混凝土现有缺陷对拱坝的超载安全系数存在重要影响。

3）有限元仿真分析方法及大体积混凝土温度控制研究进展

用有限元仿真分析方法研究混凝土坝施工期温控，从而为温控防裂设计提供依据，是有限元方法在混凝土坝中的一个重要应用。在大体积混凝土结构温度场及温度控制系统研究方面，国外起步较早。20世纪30年代中期，美国修建当时世界最高的重力拱坝胡佛坝时，对坝体温度状况就进行了系统的研究，取得了很多成果。之后，前苏联、巴西等国对大体积混凝土的温度控制标准、温度控制措施及裂缝问题也做了深入的探讨。朱伯芳早在1956年就发表了“混凝土坝的温度计算”一文，其后一直对大体积混凝土温度应力与温控这一问题进行研究。上世纪60年代末，S. F. Wilson 教授研制的二维温度场有限元仿真程序DOT-DICE ，并成功应用于德沃夏克（Dworshak ）坝的温度场计算，目前，有限元仿真分析方法已经成为温控防裂研究的主要手段之一，该领域的研究热点有水管冷却效果的模拟、接缝与接触的模拟、温度边界条件的准确模拟、掺氧化镁筑坝新技术等。

为了从理论上获取水管冷却效果的精确计算方法，并使之为工程应用服务，国内外上个世纪初期就对如何计算水管冷却的冷却效果展开了研究。美国垦务局（1958）研究了二期冷却的计算方法，用分离变量法得到了无热源平面问题的严格解答和问题的近似解答；朱伯芳（1978，1985，1991）研究了一期冷却的计算方法，用积分变换得到了有热源平面问题的严格解答和空间问题的近似解答，提出了水管冷却的有限元分析方法，及考虑水管冷却的等效热传导方程，该方法可

w w

w .i w h .c o m 以在平均意义上考虑水管冷却效果，得到近似温度场；为减少计算工作量，刘宁、刘光廷（1997）提出在水管一定范围内采用子结构技术，并提出了水管周围单元的多种划分方法；刘勇军（2003）提出了冷却水管仿真计算的自生自灭单元法。工程应用方面，朱伯芳（1997）研究过高温季节进行水管冷却的坝块表面保温问题；丁宝瑛（1997）讨论了大体积混凝土与冷却水管间水管温差的确定，指出如果两者温差过大，将可能导致水管周围出现裂缝；陆阳等（1995）着重讨论了混凝土后期冷却的优化控制；赵代深等（2000）对接缝灌浆水管冷却进行了研究。刘有志等（2006）也曾就大坝水管冷却期间的优化通水方案提出了“变温冷却方案”。近年来，聚乙烯PE 管的冷却效果得到越来越多的关注，朱伯芳（2002）对非金属水管的降温分析进行了讨论，并提出了简化计算方法，并用理论方法讨论了聚乙烯冷却水管的等效间距。他还用理论分析方法指出高温季节如不对表面保温（1997），冷却水管对表面将很难达到规定的冷却温度，刘毅、张国新等（2007）利用有限元仿真方法研究了这一问题，得出了同样的结论，并提出了具体的工程措施；陈秋华，邵敬东和赵永刚（2001）试验了在RCC 坝上应用PE 水管的研究，得出水管冷却效果十分明显的结论；刘有志（2007）则验证了采用有限元仿真计算PE 管的冷却效果时，其边界应当视为第三类边界，并得到了实验与计算结果相吻合的结果。在温度边界条件方面，Farrokh Sheibany 和Mohsen Ghaemian （2006）利用三维有限元方法研究了运行期温度场对拱坝应力的影响，研究中考虑了下游面不同部位、不同角度不同的辐射热，计算结果与实际情况更接近。金峰、陈拯等（2007）利用ASHRAE 晴空模型，利用光线追踪算法准确计算周围地形和自身遮蔽的坝面太阳辐射的计算框架，研究了由于拱坝左右岸日照不对称引起的不对称温度场对拱坝应力的影响。张国新（2004）针对目前的热传导方程模拟表面保温效果时的不适应性，从热量平衡方程出发，提出了直接用导热系数，表面散热系数和热量为基本参数的热传导改进有限元算法，可适用于表面保温效果的模拟。

基于现有工程的经验和教训，朱伯芳院士提出了“全面温控、长期保温、结束“无坝不裂”历史”新的混凝土坝温控思路。与旧的温控思路相比，新温控思路除采取改善混凝土抗裂性能、坝体分缝分块、水管冷却、混凝土预冷等措施外，着重强调长期保温对防治坝体裂缝的重要作用。朱伯芳从工程实例和计算分析两个角度阐述了长期保温对降低混凝土坝运行期应力的作用，并从经济性和保温板

w w w .i w h .c o m 设计等方面论证了长期保温的合理性和可行性。

在运用有限元仿真方法研究多坝段的温度场温度应力时，接缝状态的模拟无疑是十分重要的。在用有限元法进行坝体结构分析时，为了反映接缝的影响，通常采用薄层单元、接触面单元来模拟接缝。相对而言，接触面单元在坝体接缝的模拟中使用更加广泛。韩晓凤等（2002）采用接触面单元模拟横缝，并对横缝开度对拱坝安全度的影响进行了研究；朱伯芳（2001）推导了无厚度带键槽的三维接触面单元模型，在此基础上对模型进行改进，并对三角形键槽和球面键槽模型的应力应变关系进行了推导，在推导过程中考虑了键槽受拉、受压、抗剪等可能的各种工作模式。公式建立之后，利用精细数值模型的有限元计算对应力应变公式中的参数进行了率定，可以很好实现大坝横缝开度的模拟；张国新（2004）开发的大体积混凝土结构施工期温度、温度应力分析程序包SAPTIS 软件中，引入了非连续变形分析方法中常用的接触单元，除了可对任意复杂条件下大坝的施工全过程进行温度和结构应力的仿真外，还可精确实现大坝缝面的开合情况，同时还能考虑缝面灌浆以后的应力发展变化及分布情况；李建新、王光纶等（2001）在他们的研究中采用MSC. NASTRAN 提供的GAP 单元模拟坝体接缝，以一模型拱坝为对象，分别考虑1条中缝、1条边缝以及2条对称边缝等3种横缝布置情况，研究了横缝结合质量对拱坝受力的影响。GAP 单元用一对接触点对来定义，假设接触力通过结点对传递，接触状态由结点对来判断。该单元可以反映初始间隙，模型简单、直观，但在考虑有摩擦滑动情况时，最后控制方程是非对称的，给求解带来很大困难，对大规模接触问题不太适用，而且单元法向刚度和切向刚度也不易选取，往往要通过数值试验来确定；孙林松等（2003）基于增量描述导出了有初始间隙接缝问题的互补虚功方程，然后经过有限元离散建立了分缝坝体结构分析的有限元线性互补模型。结合小湾拱坝对横缝及其初始间隙对拱坝工作性态的影响进行了分析，结果表明，由于小湾拱坝水压荷载占主要因素，若横缝没有初始间隙，横缝对坝体工作性态没有多大的影响，但横缝存在初始间隙时则对坝体工作性态有较大的影响。

近年来，掺氧化镁混凝土筑坝技术是混凝土坝领域的一个热点，利用氧化镁的微膨胀性可以补偿混凝土温降收缩产生的温度应力，从而有可能简化温控措施。在水工领域，对氧化镁混凝土物理力学性质进行系统研究始于20世纪70年代初（唐明述，曹泽生，李承木），成都勘测设计研究院对氧化镁混凝土的变形性质进行了长期试验研究（1999，2000）；基于对MgO 膨胀特性的认识，张国新

w w w .i w h .c o m 等（2004）建立了MgO 混凝土膨胀的动力学模型。在工程方面，最早，学者们将氧化镁混凝土用于基础块、填塘、孔口附近等强约束部位（李承木，2003，朱伯芳，2000）；随着对氧化镁混凝土性质了解的不断加深，氧化镁混凝土的应用从局部发展到整体大坝，如广东的长沙坝、贵州的沙老河和三江（2006）、新疆的石门子拱坝等都在整个坝体使用了MgO 膨胀剂，取得了一些经验和教训（张国新，2005）；基于对工程实践的总结，朱伯芳，张国新等（2005）指出掺氧化镁可适当简化温控措施，但决不能替代一切温控措施，应该针对具体工程具体研究对其确定。此外，掺MgO 混凝土存在安定性问题，目前的成功应用也多是气候温和地区的中小型工程，如要进一步推广，特别是加大MgO 的掺量，还需要进行慎重研究。

在大体积混凝土温度控制工程应用方面，中国水科院朱伯芳、丁宝瑛、张国新等领导的团队做了大量的卓有成效的工作。通过对三峡（2000）、二滩（1993）、小湾（2003）、溪洛度（2003）、锦屏一级（2007）、拉西瓦（2005）、向家坝（2007）、龙滩（2005）、光照（2005）、景洪（2005）、索风营（2005）等几十座高混凝土坝工程的温度应力研究，总结了特高拱坝（2006）、碾压混凝土坝（2007）混凝土温度应力特点，提出了其温度应力分析和温度控制应该注意的问题，可作为大体积混凝土温度应力分析与温度控制的重要参考；朱伯芳、张国新等（2003，2006、2007）依托丹江口大坝加高工程，研究了重力坝加高的温度应力及其对坝体安全的影响等问题；在100m 级拱坝领域，张国新等（2004）通过施工期运行期全过程仿真分析，为碾压混凝土拱坝分缝及其温控设计提供依据。有限元仿真分析方法是混凝土温控研究的重要手段，对于拱坝而言尤其是如此，由于拱坝结构的超静定性，单坝段乃至多坝段的仿真分析往往不足以反映实际的应力状况，拱坝全过程仿真分析势在必行，中国水科院的研究团队在这方面做了一些开创性的工作，张国新等（2006）以周公宅拱坝为例，按照实际浇筑过程，模拟跳仓浇筑，在反演分析的基础上，对其进行整坝全过程有限元仿真分析，并提出了相应的温控建议措施。

（4）混凝土坝设计理论与方法的新进展

混凝土坝分析理论与方法是随着力学分析方法的前进而不断发展的，而由分析理论转化为设计理论又要经过相当长时间的实践应用和验证。以拱坝为例，弹性力学的发展促成了第一座采用现代科学理论进行分析和设计的拱坝，1854年， Francos Zola 采用了当时十分先进的弹性力学厚壁圆筒公式进行了结构分析，并

w w w .i w h .c o m 按照应力分析成果进行了拱坝的设计。20世纪20年代，美国在大规模调研的基础上发展了试载法，成为了目前拱坝设计中通用的设计方法。20世纪60年代以来，以有限元方法为代表的现代数值方法得到迅猛发展和广泛应用，成为了混凝土坝计算分析中常用的方法。目前，中国的拱坝规范仍然采用多拱梁法为基本设计方法，美国陆军师团的设计手册中规定以有限元方法作为拱坝设计时的静力分析方法，法国等欧洲国家采用厚壳单元或大单元有限元作为拱坝应力分析工具，设计出若干高拱坝。

有限元方法虽然在混凝土坝安全分析中发挥着巨大的作用，但是将这一方法直接应用于设计还存在一些障碍：关于评价指标及设计标准还没有取得广泛共识。国际上一般采用大单元或厚壳单元有限元分析来规避这一问题。在我国，一直有学者就这一问题进行探讨，并提出了自己的意见。赵代深（1996）将相对主拉应力区长度的平均值作为强度控制标准，初步建议了2个经验公式，但由于计算方法复杂，很难应用于实际工程；陈胜宏等（2003）采用开裂单元对坝踵开裂进行分析，同时指出需要进一步研究配套的应力取值方法和安全准则；杨强（2006）等提出了基于h-型自适应网格误差控制的有限元应力取值标准，以一个全局误差作为自适应有限元网格剖分的准则，以此计算得到的有限元应力作为取值标准，但是这一方法需要对有限元网格重新剖分10余次，计算量较大，给实际应用带来困难；朱伯芳（1988）、傅作新（1991）提出了有限元等效应力法以有限元计算所得应力合成水平截面内力，然后用材料力学公式反求出对应的线性化内力；李同春（2004）、肖伟荣（2005）、杨强（2006）等发展完善了有限元等效应力法，并将其应用于实际工程中；傅潮江等利用有限元方法研究了空腹重力坝坝踵应力问题，基于对不同影响因素的分析，提出了相应的控制标准；范书立、陈健云等（2007）把有限元等效应力的概念引入重力坝应力分析，并研究了有限元网格尺寸、取距中心等因素对等效应力值的影响，并指出等效应力数值稳定，可以作为衡量坝体强度的标准。

我国新的《混凝土拱坝设计规范》（SL282-2003，DL5346-2006）也将有限元等效应力法作为强度校核的方法。在重力坝方面，我国规范（DL5108-1999）规定通过限制有限元计算结果中的拉应力区宽度（小于坝底宽度的0.07倍或坝踵至帷幕中心线的距离）规避了坝踵应力集中问题。

与应力类似，有限元法用于混凝土坝的稳定也存在设计标准的问题。常晓林等（1991）提出了以准弹性临界作为混凝土坝稳定临界准则的设计极限状态；陈

水工钢结构简答题

简答题 1、角焊缝有哪些主要的构造要求？为什么设置这些要求，请简述其原因？答案：角焊缝的主要尺寸是焊脚尺寸hf和焊缝计算长度l w,他们应该满足下列构造要求。 (1)考虑起弧和灭弧的弧坑影响，每条焊缝的计算长度l w,取其实际长度减去2hf; (2)最小焊脚尺寸h f≧1.5max t,其中tmax较厚焊件厚度；若焊缝hf过小，而焊件过厚时，则焊缝冷却过快，焊缝金属易产生淬硬组织，降低塑性；（3）最大焊脚尺寸hf≦1.2tmin，其中tmin薄焊件厚度；若焊缝hf过大，易使母材形成过烧现象，同时也会产生过大的焊接应力，使焊件翘曲变形；（4）最小焊缝计算长度l w,≧40mm及8hf是为了避免焊缝横向收缩时，引起板件拱曲太大；（5）最大侧焊缝计算长度l w,≦60hf，由外力在侧焊缝内引起的剪应力，在弹性阶段沿侧焊缝长度方向的分布是不均匀的，为避免端部先坏，应加以上限制；（6）在端焊缝的搭接连接中，搭接长度不小于5tmin及25mm；是为了减少收缩应力以及因传力偏心在板件中产生的次应力；（7）在次要构建或次要焊缝中，由于焊缝受力很小，采用连续焊缝其计算厚度小于最小容许厚度时，可改为采用间断焊缝，避免局部凸曲而对受力不利和潮气侵入引起锈蚀。 3、焊接组合梁的设计包括哪几项内容？答案：①首先根据梁的跨度与荷载求得的最大弯矩与最大剪力以及强度、刚度、稳定与节省钢材等要求，来选择经济合理的截面尺寸，有事可以在弯矩较小处减小梁的截面；②计算梁的翼缘和腹板的连接焊缝；③验算组合梁的局部稳定性和设计腹板的加劲肋④设计组合梁各部件的拼接以及设计梁的支座和梁格的连接⑤绘制施工详图。 4、图中所示为一平面钢闸门门叶结构示意图，请分别指明图中的序号所对应的构件名称？答案：面板、顶梁、水平次梁、横向隔板、吊耳、主梁、纵向连接系、主轮、边梁； 5、在选定结构所需的钢材种类时，应考虑结构结构的哪些特点？答案：结合么钱钢铁生产实际情况，努力做到即使结构安全可靠，又要尽力节约钢材，降低造价选用时注意以下几点：（1）结构所承载特性，（2）结构类型及重要性，（3）连接的方法（4）结构的工作温度和所处的环境。 6、加劲肋在钢梁设计中的作用是什么？有哪些类型？在钢梁设计中必要时，为什么增设加劲肋而不直接加大腹板厚度？答：作用是提高局部稳定性；有横向加劲肋和纵向加劲肋；因为钢结构设计中要求采用薄板，如果加大腹板厚度是不经济的。7、翼钢结构连接和轴心受压构件的设计为例，阐述等稳定原则在钢结构设计中的具体应用。答：在焊接连接中，要求焊缝截面强度不能高于母材截面强度；在螺栓连接设计中，螺栓连接强度和拼接板强度和母材强度匹配等，这些体现出等稳定设计的概念；在受压构件设计中，要求两个方向的稳定性接近相等，这也是等稳定原则的体现。 8、当采用平面桁架作为屋卖弄承重体系时，为什么要设置屋架支撑？支撑的作用是什么？答：平面桁架在平面外刚度很小，容易发生侧向倾斜。作用为：保证桁架体系的空间几何稳定性；提供弦杆的侧向支撑点；提高侧向刚度及稳定性；使结构具有空间整体作用；保证结构安装时的稳定与方便。 9、简述钢材的一次单项拉伸试验中，随着荷载的增加，钢的工作大致可以分为哪几个阶段？在试验测得的应力应变曲线图可以显示哪几项机械性能指标？答：钢的工作大致可以分为：弹性阶段、弹塑阶段、塑性阶段、自强和破坏阶段应力应变曲线图可以显示的机械性能指标：比例极限；屈服点；（屈服强度）；抗拉强度。10、普通螺栓与高强度螺栓在受力特性方面有什么区别？答：两者受力主要区别是：普通螺栓连接的螺母拧紧的预拉力很小，受力后全靠螺杆承压和抗剪来传递剪力。高强度螺栓是靠凝紧螺母，对螺杆施加强大而受控制的预拉力，使连接构件夹紧而是搂面的摩擦阻力来承受连接内力。11、整体稳定临界应力受哪几个因素的影响？如何提高和保证钢梁的整体稳定性？答：影响整体稳定临界应力的因素有：受压翼缘的自由长度，梁截面的侧向抗弯刚度以及抗扭刚度；提高和保证钢梁整体稳定性的措施；设置纵向联接或称纵向支撑以减小受压翼缘的自由长度，或适当加大受压翼缘的宽度。 12、简述平面闸门结构布置主要有哪些内容？答：结构布置的主要内容：主梁的布置，包括主梁的数目和位置，梁格的布置，梁格联接形式，边梁的布置。 13、钢结构在水利工程的合理应用范围有哪些？答：1、活动式结构；2、可拆卸或移动的结构；3、高耸结构；4、板结构；5、大跨度结构；6、海工钢结构 14、为什么说梁高的选择是梁截面选择中的关键？最小梁高和经济梁高根据什么条件和要求确定的？答：梁高的选择是梁截面选择中的关键，因为截面各部分尺寸都将随梁高二改变。最小梁高是根据刚度条件而定的，使组合梁在充分利用钢材强度前提下或满足梁的刚度现行规格。再设计中一般选择梁高比经济高校10%--20%，单不得校友最小梁高。 15、简述轴心受压实腹式构件的截面选择步骤？答：轴心受压实腹式构件截面选择步骤：假定长细比；根据假定长细比和等稳定条件初步稳定A、b1和h；试选翼缘厚

水工建筑物分类

水利枢纽及水利工程一、水工建筑物的分类水工建筑物按其作用可分为以下几种： 1.挡水建筑物：用以拦截江河水流，抬高上游水位以形成水库，如坝、堤防等。赵州渡大坝

坝是指拦截江河渠道水流以抬高水位或调节流量的挡水建筑物。可形成水库，抬高水位、调节径流、集中水头，用于防洪、供水、灌溉、水力发电、改善航运等。调整河势、保护岸床的河道整治建筑物也称坝，如丁坝、顺坝和潜坝等。金东区堤防堤防指在江、海、湖、海沿岸或水库区、分蓄洪区周

边修建的土堤或防洪墙等。 2.泄水建筑物：用于洪水期河道入库洪量超过水库调蓄能力时，宣泄多余的洪水，以保证大坝及有关建筑物的安全，如溢洪道、泄水孔等。桥墩水库溢洪道溢洪道是水库等水利建筑物的防洪设备，多筑在水

坝的一侧，像一个大槽，当水库里水位超过安全限度时，水就从溢洪道向下游流出，防止水坝被毁坏。包括：进水渠控制段泄槽出水渠。泄水孔泄水孔进口有一定淹没深度的坝体泄水建筑物。可供泄洪、预泄库水、放空水库、排放泥沙或施工导流。 3.输水建筑物：用以满足发电、供水和灌溉的需求，从上游向下游输送水量，如输水管道、水工隧洞等。

输水管道从水库、调压室、前池向水轮机或由水泵向高处送水，以及埋设在土石坝坝体底部、地面下或露天设置的过水管道。可用于灌溉、水力发电、城镇供水、排水、排放泥沙、放空水库、施工导流配合溢洪道宣泄洪水等。

水工隧洞在山体中或地下开凿的过水洞。水工隧洞可用于灌溉、发电、供水、泄水、输水、施工导流和通航。 4.取水建筑物:一般布置在输水系统的首部，用于控制水位、引入水量或人为提高水头，如进水闸、进水口等。

水工钢筋混凝土结构课程设计

《水工钢筋混凝土结构》课程设计姓名: 苏瑞学号： 2014030008 专业： 14级水利水电建筑工程(士官)

《水工钢筋砼》课程设计任务书课程设计题目：钢筋混凝土肋形楼盖设计一、设计资料 1、设计条件某水电站副厂房属3级水工建筑物，环境条件类别为一类，厂房按正常运行状况设计，设计状况属持久状况，设计状况系数ψ取 1.0。采用外墙及内柱承重，柱网布置如图1所示，楼盖采用钢筋混凝土现浇整体式肋形结构。图1 副厂房楼盖结构柱网布置图 2、设计参数（1）楼层构造 20mm厚水泥砂浆抹面（水泥砂浆容重γ1为20kN/m3）。钢筋混凝土结构层（钢筋混凝土容重γ3为25kN/m3）。 15mm厚混合砂浆粉底（混合砂浆容重γ2为17kN/m3）。（2）材料混凝土：楼面活荷载标准值q k≤6kN/m时，采用C20；q k＞6kN/m时，采用C25；钢筋：除主梁和次梁的主筋采用HRB335钢筋外，其余均采用HPB235钢筋。（3）设计参数表1 柱网尺寸L1×B1及荷载楼面活荷载标准值

柱网尺寸L1×B1、柱的截面尺寸b×h = 300mm×400mm，楼面活荷载标准值q k按题号由表1给出，如表2所示。表2 设计参数自选二、设计内容 1、肋型结构梁格布置及构件尺寸拟定根据设计任务书提供的设计资料及表1所填有关设计参数进行结构布置；选定材料并拟定构件截面尺寸，板的结构采用单向板结构。 2、结构内力计算根据结构工作状况及结构特点，确定计算简图，并进行荷载计算；计算结构内力，并根据需要绘制内力包络图。 3、截面设计考虑结构设计的安全、经济、便于施工等因素进行截面设计；合理选择受力钢筋，并按要求配置构造钢筋；绘制主梁内力包络图及抵抗弯矩图。 4、绘制构件施工图绘制楼盖结构平面布置图（1:100～1:200）；绘制板、次梁和主梁模板配筋图，根据需要绘制钢筋材料表或钢筋抽样图。三、课程设计分组及要求 1、设计分组学生根据学号按表1确定自己的设计参数，将设计参数填入表2并独立完成课程设计

水工钢筋混凝土结构学复习整理汇总

水工钢筋混凝土结构学复习整理一、填空题 1、钢筋混凝土结构用钢筋要求具有较高的强度、一定的塑性、良好的可焊性能以及与混凝土之间必须有足够的粘结性。 2、钢筋按力学的基本性质来分，可分为两种类型：软钢、硬钢。硬钢强度高，但塑性差，脆性大。从加载到拉断，不像软钢那样有明显的阶段，基本上不存在屈服阶段。设计中一般以协定流限作为强度标准。 3、我国混凝土结构设计规范规定以边长为mm 150的立方体，在温度为℃320 、相对湿度不小于%90的条件下养护28天，用标准实验方法测得的具有%95保证率的立方体抗压强度标准值cuk f 作为混凝土强度等级，以符号C 表示，单位为2/mm N 。 4、混凝土双向受压时，一向抗压强度随另一向压应力增大而增大。双向受拉时的混凝土抗拉强度与单向受拉强度基本一样，一向受拉一向受压时，混凝土的抗压强度随一向的拉应力的增加而降低。 5、混凝土的变形有两类：一类是由外荷载作用而产生的受力变形；一类是由温度和干湿变化引起的体积变形。 6、混凝土在荷载长期持续作用下，应力不变，变形也会随着时间而增长，这种现象称为混凝土的徐变。 7、钢筋与混凝土之间的粘结力主要由以下三部分组成：○1水泥凝胶体与钢筋表面之间的胶结力；○2混凝土收缩，将钢筋紧紧握固而产生的摩擦力；○3钢筋表面不平整与混凝土之间产生的机械咬合力。 8、影响粘结强度的因素除了钢筋的表面形状以外，还有混凝土的抗拉强度、浇筑混凝土时钢筋的位置、钢筋周围的混凝土厚度等。 9、为了保证光圆钢筋的粘结强度可靠性，规范规定绑扎骨架中的受拉光圆钢筋应在

末端做成 180弯钩。 10、接长钢筋的三种办法：绑扎搭接、焊接、机械连接 11、工程结构设计的基本目的是使结构在预定的使用期限内能满足设计所预定的各项功能要求，做到安全可靠和经济合理。 12、工程结构的功能要求主要包括三个方面：（1）安全性（2）适用性（3）耐久性 13、安全性、适用性、耐久性统称为结构的可靠性。 14、结构抗力是结构或结构构件承受荷载效应S 的能力，指的是构件截面的承载力、构件的刚度、截面的抗裂性等，常用符号R 表示。 15、根据功能要求，通常把钢筋混凝土结构的极限状态分为承载能力极限状态和正常使用极限状态两类。 16、荷载代表值主要有永久荷载或可变荷载的标准值，可变荷载的组合值、频遇值和准永久值等。 17、荷载标准值是指荷载在设计基准期内可能出现的最大值。荷载标准值是荷载的基本代表值，荷载的其他代表值都是以它为基础再乘以相应的系数后得出的。 18、正常使用极限状态验算时，荷载的材料强度均取用为标准值。其原因是正常使用极限状态验算时，它的可靠度水平要低一些。 19、混凝土的强度等级即是混凝土标准立方体试件用标准试验方法测得的具有95%保证李的立方体抗压强度标准值cuk f 。 20、受弯构件设计时，既要保证构件不得沿正截面发生破坏，又要保证构件不得沿斜截面发生破坏，因此要进行正截面承载力与斜截面承载力的计算。 21、梁的高度h 通常可由跨度0l 决定，简支梁的高跨比0/l h 一般为1/8—1/12。梁的高宽比b h /一般为2—3.5。 22、厚度不大的板，其厚度约为板跨的1/12—1/35。 23、为了便于混凝土的浇捣并保证混凝土与钢筋之间有足够的粘结力，梁内下部纵

水工钢筋混泥土结构设计

水利水电工程专业水工钢筋混凝土结构课程设计扌指导老师： _______ 专业名称： _____ 学号:0908070076 设计作者：胥胜洪___________ 提交时间：2011.7.18

1设计任务书题目钢筋混凝土肋形楼盖设计（平面图见下图）。字母轴线间距（主梁轴线跨度）为 8100mm，也即次梁间距为2700mm。二、设计资料（1）某轻工业厂房单向板肋梁楼盖，按正常运行状况设计，某水电站生产副厂房，为4级水工建筑物，建筑层高4.8m。结构平面布置如图所示，墙体厚370mm。楼面面层为：底层20mm水泥砂浆找平层（标准值0.40KN/m2）,面层30mm厚水泥砂浆铺瓷质地砖（标准值 0.70KN/m 2）;钢筋混凝土梁板容重标准值为25KN/m 3;梁板下抹20mm厚水泥砂浆后瓷粉罩面（标准值0.40KN/m 2）。梁中纵向受力钢筋为n级，其余钢筋为I级。（2）混凝土强度等级和可变荷载（分项系数均为 1.2）见分组表。

9 ? ? 0 ? ? & (I s k h L ? 二 II1? C S 2 — AX W

9 ? ? 0 ?

设计内容（1）构件截面尺寸设计（2）板的设计计算（3）次梁的设计计算（4）主梁的设计计算（5）绘制板的配筋图、绘制次梁的配筋图、绘制主梁的弯矩、剪力包络图、绘制主梁的抵抗弯矩图及配筋图。四、设计要求（1）计算书应书写清楚，字体工整，主要计算步骤、计算公式、计算简图均应列入，并尽量利用表格编制计算过程。（2）图纸应整洁，线条及字体应规范，并在规定时间内完成。五、设计分组根据同学学号的尾号在分组表中选用混凝土强度等级和可变荷载标准值。 2.设计指导书、目的要求本课程设计是水工钢筋混凝土结构课程的重要实践环节之一。通过本课程设计，使学生对钢筋混凝土楼盖的组成、受力特点、荷载计算、内力分析、荷载组合及板、次梁、主梁配筋设计等有较全面、清楚的了解和掌握，为从事实际工程设计打下基础。、主要设计计算步骤 1 构件截面尺寸选择 1）板次梁 2） 3）主梁 2 板的设计计算（按考虑塑性内力重分布的方法计算板的内力，计算板的正截面承载力）（1）荷载（2）计算简图的确定

水工钢结构课程设计

露顶式平面钢闸门设计 1、设计资料 1.1闸门形式：露顶式平面钢闸门。 1.2设计水头：6.00m 。 1.3孔口净宽：9.00m 。 1.4结构材料：碳素钢Q235B-F 。 1.5焊条：E43型手工焊。 1.6止水橡皮：侧止水用P 型橡皮，底止水用条形橡皮。 1.7行走支承：采用胶木滑道，压合木为MCS-2。 1.8启闭方式：电动固定式启闭机。 1.9制造条件：金属结构制造，手工电弧焊，焊缝满足III 级质量检验标准。 1.10执行规：《水利水电工程钢闸门设计规》(SL74-95) 2、闸门结构的形式及布置 2.1 闸门尺寸的确定(图1)。 (1)闸门高度：考虑风浪所产生的水位超高为0.2m,故闸门高度=6.0+0.2=6.2（m ）； (2)闸门的荷载跨度为两侧止水的间距：L1=9(m); (3)闸门的计算跨度：L=L0+2×0.2=9.0+0.4=9.4(m); 2.2主梁的形式主梁的形式根据水头合跨度大小而定，本闸门属中等跨度为了便于制造和维护，决定采用实腹式组合梁。 2.3 主梁的布置根据闸门的高跨比，决定采用双主梁。为使两个主梁在设计水位时所承受的水压力相等，两个主梁的位置应对称于水压力合力的作用线y =H/3=2.0(m)（图1）,并要求下悬臂a ≥0.12H 和a ≥0.4m,上悬臂、c ≤0.45H,今取，a=0.7m ≈0.12H=0.67（m ）则主梁间距：)(6.2)(22m a y b =-= 则H m a b H c 45.0)(7.27.06.262==--=--=（满足要求） 2.4 梁格的布置和形式梁格采用复式布置和等高连接，水平次梁穿过横隔板上的预留孔并被横隔板所支承。水平次梁为连续梁，其间应上疏下密，使面板各区格所需要的厚度大致相等，梁布置的具

水工钢闸门结构设计(详细计算过程)

6 金属结构设计 6.3 金属结构设计计算 6.3.1 设计资料（1）闸门型式：露顶式平面钢闸门（2）孔口尺寸（宽×高）：6m ×3m （3）设计水头:3.16m （4）结构材料：Q235钢（5）焊条：E43 （6）止水橡皮：侧止水型号采用P45-A ，底止水型号采用I110-16 （7）行走支承：采用胶木滑道，压合胶木为MCS-2 （8）混凝土强度等级：C25 （9）规范：《利水电工程钢闸门设计规范》（SL74-95） 6.3.2 闸门结构的形式及布置 6.3.2.1 闸门尺寸的确定 1.闸门高度:考虑风浪产生的水位超高，将闸门的高度确定为3m 。 2.闸门的荷载跨度为两侧止水的间距：L 0=6.0m 3.闸门计算跨度：L=L 0+2d=6.0+2×0.15=6.3m 6.3.2.2静水总压力闸门在关闭位置的静水总压力如图6.1所示，其计算公式为： 2 29.8344.1/2 2gh P kN m ρ?= == 图6.1 闸门静水总压力计算简图 P

6.3.2.3 主梁的形式主梁的形式应根据水头的大小和跨度大小而定，本设计中主梁采用实腹式组合梁。 6.3.2.4主梁的布置根据主梁的高跨比，决定采用双主梁。两根主梁应布置在静水压力合力线上下等距离的位置上，并要求两主梁的距离值要尽量大些，且上主梁到闸门顶缘的距离c 小于0.45H ，且不宜大于3.6m ，底主梁到底止水的距离应符合底缘布置的要求。故主梁的布置如图6.2所示图6.2 主梁及梁格布置图 6.3.2.5 梁格的布置和形式梁格采用复式布置并等高连接，并使用实腹式竖向隔板兼作竖直次梁，使水平次梁穿过隔板上的预留孔而成为连续梁，其间距上疏下密，面板各区格需要的厚度大致相等，具体布置尺寸如图6.2所示。 6.3.3 面板设计根据《利水电工程钢闸门设计规范》（SL74-95），关于面板的计算，先估算面板厚度，在主梁截面选择之后再计算面板的局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力。初选面板厚度。面板厚度计算公式为： δ当b/a ＞3时，α=1.4；当b/a ≤3时，α=1.5。列表进行计算，见表6.1：

水工建筑物及其答案

一,填空题(每题1分,共26分) 1,碾压土石坝按坝体的防渗材料及其结构分为( ),( ),( )三类. 2,重力坝的基本剖面是( )土石坝的基本剖面是( ). 3,重力坝的泄洪和( )比较容易解决. 4,重力坝按照缝的作用分有( ),( ),( )三种缝. 5,水库枢纽组成的三大主件有( ),( ),( ). 6,波浪的三要素是( ),波浪高,波浪长. 7,土石坝是散粒体结构,坝体必须采取( )措施. 8,发电孔是有压泄水孔它的工作闸门设在( )口. 9,水闸必须具有适当的( ),以减小基底压力. 10,闸门按其工作性质分为( ),工作闸门,检修闸门三种闸门. 11,隧洞进口建筑物的形式有( ),( ),塔式,岸塔式四种形式. 12,水闸两端与堤,坝或河岸连接处需设置连接建筑物.它们包括上,下游翼墙,边墩或( )和( )等. 13,取水枢纽按其有无拦河闸(坝)可分为( )和( )两种类型. 14,水工隧洞有( ),( ),( )三部分组成. 得分评分人二,判断题(每题2分,共10分) 对的划+,错的划— 1,溢流面上的混凝土必须具有足够的耐久性.( ) 2,重力坝裂缝会影响坝的整体性和抗渗性.( )

3,平压管是埋于重力坝内部的充气管.( ) 4,土石坝的垂直防渗措施是铺盖. ( ) 5,水闸的辅助消能工有消力墩和消力齿.( ) 得分评分人三,选择题:(每题2分,共20分) 1. 重力坝横向贯穿性裂缝会导致( ) A.漏水和渗透侵蚀性破坏 B.坝的整体性下降 C.大坝的抗剪强度下降 D.局部应力集中 2. 在重力坝温度控制措施中,哪一项是不易控制的( ) A.稳定温度 B.水化热温升 C. 混凝土入仓温度 D.最高温度 3.设计的坝顶高程是针对( )情况而言的 (A) 坝刚建好时的(B) 坝体沉降稳定后以后(C) 坝施工中的(D) 坝体还未沉降时 4.我国土石坝设计规范要求中坝的最小顶宽为( )米. (A) 10～15(B) 5～10(C) 10～20(D) 15～20 5. 下面的哪一个材料不宜作为板桩的材料( ) A . 木材 B . 混凝土 C . 钢筋混凝土 D . 钢材 6. 下面的哪一选项不是连接建筑物( ) A . 边墩和岸墙 B . 翼墙 C . 底板 D . 齿墙 7.在较好的岩基上宜采用( )消能

水工钢筋混凝土结构综合练习题

综合练习题一一．填空题 1．T截面连续梁在负弯矩段，由于翼缘处在受拉区，应按________截面计算；在正弯矩段，按________截面计算。 2．抗剪钢筋也称作腹筋，腹筋的形式可以采用________和________。 3．预应力和非预应力混凝土轴心受拉构件,在裂缝即将出现时，它们的相同之处是混凝土的应力达到__________，不同处是预应力构件混凝土的应力经历了从受_______到受_______的变化过程，而非预应力构件混凝土的应力是从_________变化到________。可见二者的抗裂能力是___________构件的大。二．单选题 1．梁的受剪承载力公式是根据何破坏形态建立的（）（A）剪压破坏（B）斜压破坏（C）斜拉破坏2．在正常使用极限状态计算中，短期组合时的内力值(N s、M s）是指由各荷载标准值所产生的荷载效应总和（）。 (A）乘以结构重要性系数γ0后的值 (B）乘以结构重要性系数γ0和设计状况系数ψ后的值（C）乘以设计状况系数ψ后的值 3．试决定下面属于大偏心受压时的最不利内力组合（）（A）N max，M max （B）N max，M min （C）N min，M max 4．混凝土割线模量E cˊ与弹性模量E c的关系式E cˊ=νE c中的ν值当应力增高处于弹塑性阶段时（）（A）ν＞1 （B）ν＝1 （C）ν＜1 5．进行变形和裂缝宽度验算时（）（A）荷载用设计值，材料强度用标准值（B）荷载和材料强度都用标准值（C）荷载和材料强度都用设计值 6．剪力和扭矩共同作用下的构件承载力计算，《规范》在处理剪、扭相关作用时（）。（A）不考虑二者之间的相关性（B）混凝土和钢筋的承载力都考虑剪扭相关作用（C）混凝土的承载力考虑剪扭相关作用，而钢筋的承载力不考虑剪扭相关性 7．大偏心受拉构件设计时，若已知A's，计算出ξ＞ξb，则表明（）（A）A's过多（B）A's过少（C）A s过少 8．均布荷载作用下的弯、剪、扭复合受力构件，当满足（）时，可忽略扭矩的影响。（A）γd T≤0.175f t W t（B）γd T≤0.35f t W t （C）γd V≤0.035f c bh0 9．在下列减小受弯构件挠度的措施中错误的是（）（A）提高混凝土强度（B）增大截面高度（C）增大构件跨度 10.所谓一般要求不出现裂缝的预应力混凝土轴心受拉和受弯构件，在荷载作用下（）（A）允许存在拉应力（B）不允许存在拉应力（C）拉应力为零

27-水工钢结构设计课程大纲2020

中国海洋大学本科生课程大纲课程属性：公共基础/通识教育/学科基础/专业知识/工作技能，课程性质：必修、选修一、课程介绍 1.课程描述（中英文）：水工钢结构设计是港航专业的主要专业基础课之一，也是水利工程、海洋工程、海岸工程等水利类专业的学科基础课。钢结构是当前和今后工程领域重点推广和发展的结构形式，采用钢材制作而成的结构重量轻、结构简洁、预制安装方便，是水利工程、建筑工程、海洋工程、船舶工程的主要结构形式之一。课程的主要内容包括材料选择、连接设计、基本构件设计、水工钢结构应用设计等四大部分，其中应用设计包括实际港口与海岸工程经常遇到的钢桁架、钢引桥、钢闸门等设计内容。通过本课程学习使学生熟悉钢结构材料特性和连接技术对结构性能、安全与施工的影响规律，掌握水工钢结构基本构件强度、刚度和稳定性计算原理，掌握常用水工钢结构的基本设计方法。 Design of Hydraulic Steel Structures is a basic professional course for undergraduates majoring in Port, Waterway and Coastal Engineering, as well as a basic course for other hydraulic engineering, ocean engineering, etc. Steel structures are widely used and one of the most promising structural forms in the current and future engineering fields. This course includes the material selection, connection design, components design, and application design. The application design includes steel trusses, steel access bridges, and steel gates, which are widely used in port and coastal engineering. Students are expected to be familiar with the influence of material properties and connection technology on steel structural performance, safety and construction, master the calculation principles of strength, stiffness and stability of basic hydraulic steel structures, and the basic design methods of common hydraulic steel structures.

水工钢筋混凝土结构学习题

第一章钢筋混凝土结构的材料 [思考题1-1] 钢筋的伸长率和冷弯性能是标志钢筋的什么性能? [思考题1-2] 检验钢筋的质量有哪几项要求? [思考题1-3] 混凝土的强度等级的怎样确定的？有什么用途？《规范》中混凝土强度等级是如何划分的？ [思考题1-4] 混凝土的立方体抗压强度cu f 是如何测定的?它的标准值的用途是什么?试件尺寸的大小为何影响混凝土的立方体抗压强度? [思考题1-5] 混凝土在单向压应力及剪应力共同作用下，混凝土的抗剪强度是如何变化？ [思考题1-6] 什么是混凝土的徐变？徐变对混凝土结构有哪些影响？ [思考题1-7] 什么是混凝土的收缩? 如何减少混凝土收缩? [思考题1-8] 在大体积混凝土结构中，能否用钢筋来防止温度裂缝或干缩裂缝的出现? [思考题1-9] 保证钢筋在混凝土中不被拔出，应使钢筋在混凝土中有足够的锚固长度a l ，锚固长度a l 是如何确定? [思考题1-10] 光面钢筋与变形钢筋粘结机理有何不同？变形钢筋的粘结破坏形式怎样？ [思考题1-11] 加大保护层厚度和增加横向配筋来提高粘结强度为什么有上限？ [思考题1-12] 影响粘结强度的主要因素有哪些？《规范》在保证粘结强度方面有哪些构造措施？第二章钢筋混凝土结构设计计算原则 [思考题2-1]结构的极限状态的定义? [思考题2-2] 以概率论为基础的极限状态设计法的基本思路?目前国际上以概率论为基础的设计方法分为哪三个水准?我国《水工混凝土设计规范》(DL/T5057—2009)采用了哪一水准的设计方法？ [思考题2-3] 失效概率的物理意义? 失效概率与可靠概率之间有何关系? [思考题2-4] 结构在设计基准期内安全、可靠、经济合理。则失效概率与允许失效概率或可靠指标与目标可靠指标之间应符合什么条件? [思考题2-5] 水工建筑物的级别和水工建筑物的结构安全级别与结构重要性系数有什么关系？ [思考题2-6] 什么是荷载的标准值?它们的保证率是多少? [思考题2-7] 什么是荷载的标准值?它们的保证率是多少? [思考题2-8] 什么是材料强度的标准值?它们的保证率是多少？ [思考题2-9] 简述水工混凝土结构设计规范的主要特点?在设计表达式中采用了哪些系数来保结构的可靠度? [习题2-1] 已知一轴心受拉构件，轴向拉力N 的平均值为122kN ，标准差为8kN ；截面承载能力R 的平均值为175kN ，标准差为14.5kN(荷载效应N 和结构抗力R 均为正态分布)。试求该轴心受拉构件的可靠度指标。若构件属延性破坏，结构安全级别为Ⅰ级，该构件是否安全可靠。 [习题2-2] 某水闸工作桥桥面由永久荷载标准值引起的桥面板跨中截面弯矩M Gk ＝13.23kNm ；活荷载标准值引起的弯矩M Qk ＝3.8kNm ；HRB335安全级别。试求桥面板跨中截面弯矩设计值。

水工混凝土结构设计

现阶段水工混凝土结构设计相关问题分析【摘要】现代施工中，水利工程比重越来越大，水工建筑结构的设计在整个过程中非常重要，它的质量影响到整个工程的质量。水工混凝土结构主要用于保护水利设施，其结构设计直接影响到使用安全。现代水工混凝土结构建筑数量正在不断增多，在设计阶段面临着一些问题。文章结合水工混凝土结构的特点、材料以及裂缝、止水等相关的问题进行探讨，并针对这些问题提出一定的解决方案，通过监控达到有效提高水工混凝土结构质量的目的。文章对水工混凝土结构设计中出现的问题进行系统总结，并就这些问题提出相应的解决措施。 1.水工混凝土结构具有以下5个特点： ①结构尺寸大，跨度相对较小。 ②配筋率会小于一般的混凝土结构设计中的最小值，不过数量仍然很大。 ③由于大体积的混凝土结构水泥水化热大，当外界有温度变化时，会发生一些温度裂缝，需要配置较多的温度钢筋。 ④有的结构需要完全浸入水中，或者处于承压的状态，甚至冻融等，它的耐久性相对差一些。 ⑤非杆件体系不利于进行极限强度理论配筋分析计算。 2.水工混凝土结构中原材料的选择水工建筑物采用的都是碎石、泥沙、高强度水泥等有机融合的混凝土作为主要施工原材料。不同的混凝土其自身的性能也不一样，水

工建筑要选用高强度的混凝土，在使用之前必须要经过科学的检验，如果混凝土的性能指数不能达到国家标准，也不能满足水工建筑工程的施工要求，那么水工混凝土结构的质量就无法得到有效的保障。水工混凝土结构当中的主要原材料就是水泥，水泥有一个显著的特征就是会产生水化反应，具体表现为碎石灰中所含的有害物质严重超标，粘结性能难以达到预期的效果，降低了水工混凝土结构的强度以及刚度。实践证明，在水泥当中掺入适当数量的粉煤灰或者是早强剂都可以有效解决水化反应。此外，在原材料的配比过程当中，需要设计人员在设计的过程当中，反复计算，反复试验，得到最合理的配比数据以及配比方案。泥沙一般取自河里，含水量非常大，这时就必须要求将泥沙自然风干，或者是使用人工干炒法来使其干燥，同时，记录其含水量，作为制定配比方案的参数依据。在混凝土的搅拌过程中，原材料的配比非常重要，这时需要质量管理人员根据现场需求对这一比例进行检验测试，符合实际要求的配比才是最适合的。对于砂子中的含水率可以采用现场干炒法来进行，根据得出的含水率及时对混凝土的配合比进行调整 3.水工混凝土结构设计的原则性 3.1水工混凝土结构设计的最大承载能力水工混凝土结构的最大承载能力是指所用材料的强度以及刚度无法荷载巨大的破坏压力，以至于水工混凝土结构的内部钢筋构件发生严重的变形，无法达到承载要求。水工建筑一般是用作挡水以及蓄水的用途，在此情况下，由于庞大的水量会产生巨大的压迫力和冲击

水工钢结构习题

解：由表3-1查得175=w t f N/mm 2，计算长度500=w l mm 对接直焊缝的承载力为[] w t w w w f t l N = =500×20×175=1750 N/mm 2 若采用斜焊缝则，由表2-4查得205=t f N/mm 2 对接斜焊缝的承载力为 []t w w f lt N = =500×20×205=2050 N/mm 2 此时斜焊缝的 []7 .585175 202050 =?= = w t w w w f t N l mm 按规范规定采用1.5:1可达到等强度要求，不必进行验算。

解：（1）计算外力对接截面承受剪力V ﹦F ﹦180 KN 弯矩M ﹦180×200﹦36×106 N ?mm （2）计算截面几何特征值 ()1010 300?-=w A =2900 mm 2 ())()22 1502112902109910190-??? ?? ? ? -??+ ＋10790900 4104.4899?===a w w a y W mm 3 461026.2352111092.47?=-?==b w w b y I W mm 3 461005.575 10991092.47?=--?==yc I W w w c mm 3 （3）计算内力查表3-1得185=w t f N/mm 2，215=w c f N/mm 2，125=w v f N/mm 2， 38 .74104.4810364 6=??= = w a w a W M σN/mm 2≤ 185=w t f N/mm 2 77 .1541026.2310364 6 =??= = w b w b W M σN/mm 2≤ 215=w c f N/mm 2

水工建筑物知识点汇总

水利水电工程建筑物授课教案章节名称第四章水闸教学日期第二学期授课教师姓名职称授课时数 22 本章的教学目的与要求掌握水闸的类型、工作特点、组成及各组成部分的作用；掌握水闸孔口设计的影响因素分析和计算方法；掌握消能防冲设计中水闸下游不利水流流态及相应的防止措施；掌握防渗排水设计中水闸地下轮廓线长度拟定、布置、渗流计算方法和防渗排水措施；水闸的布置与构造；在闸室稳定应力分析中，重点从荷载计算、稳定应力分析方法等方面比较与重力坝的异同。了解水闸布置与构造、闸室结构计算内容及方法等方面的内容。授课主要内容及学时分配掌握水闸的类型、工作特点、组成及各组成部分的作用（2学时）；掌握水闸孔口设计的影响因素分析和计算方法（4学时）；掌握消能防冲设计中水闸下游不利水流流态及相应的防止措施（4学时）；掌握防渗排水设计中水闸地下轮廓线长度拟定、布置、渗流计算方法和防渗排水措施（6学时）；水闸的布置与构造（2学时）；在闸室稳定应力分析中，重点从荷载计算、稳定应力分析方法等方面比较与重力坝的异同（2学时）。了解水闸布置与构造、闸室结构计算内容及方法等方面的内容（2学时）。重点和难点水闸的类型、工作特点、组成及各组成部分的作用，水闸孔口设计的水闸孔口设计，如何不知谁炸的消能防冲设计，水闸的渗流计算，水闸的整体布置。

思考题和作业 1．水闸按其承担的任务和结构形式分为哪些类型？水闸的工作特点如何？ 2．水闸的组成部分及各组成部分的作用是什么？ 3．水闸孔口设计的影响因素有哪些？如何确定？ 4．水闸下游不利水流流态及相应的防止措施是什么？ 5．何谓水闸地下轮廓线？其长度如何拟定？布置方式有哪些？ 6．试述用“改进阻力系数法”计算闸底板下渗压力和渗透坡降的方法步骤。 7．试述水闸荷载计算和稳定应力分析方法与重力坝有何异同？ 8．试述闸门、启闭机的分类与选型方法如何? 9．水闸两岸连接建筑物的型式有哪些? 如何选用？ 10．闸室结构计算的内容有哪些? 试述有限深的“弹性地基梁法”的计算步骤？

建筑业趋势!水工钢筋混凝土结构学

1.矩形截面简支梁（1）判别单双筋：假设单筋：sb c s bh f KM αα>=2 0为双筋，) (020a h f bh f KM A y c sb s '-'-='α，）（00)21(h h x f bx f A f A s y c s y s αξ-==+''=，总钢筋用量：）（'+s s A A 。（2）计算箍筋数量：0h h w =，4≤b h w ，025.0bh f KV c ≤（截面尺寸满足要求），KV bh f V c c <=07.0(需要按计算确定配筋)，0 07.0h f bh f KV S A yv t sv -=，取S=200mm max S ≤=200mm ，求出sv A 。（3）已配置3根：sb c s y s bh f a h A f KM αα<'-''-=2 00) (（'s A 满足要求），a h h x s '>-==22100）（αξ（满足），y s y c s f A f bx f A ''+= 2.矩形截面偏心受压（1）计算纵向受力钢筋：计算内力值Ｍ，Ｎ，计算η， 80>h h （应考虑纵向弯曲影响），3000h N M >=λ，1,15,1，15.02011=<=>=ζζζh l KN A f c ，212000 )(14001 1ζζηh h h λ+=，判别大小偏心，003.0h >λη，按大偏心计算，计算s s A A 、'，2000min 0200)(%2.00) (,2bh f a h A f KN bh A a h f bh f KN A a h c s y s s y c sb s '-''-==='<'-'-='-+=λλλλαραη，，，y s y c s b s b f KN A f bx f A a h x -''+= '>=<--=，，22110ξζαξ（２）已配有２根， y s y c s b s c s y s f KN A f bx f A a h x bh f a h A f KN -''+='>=<--='-''-= ，，，2211)(0200ξζαξαλ ３．对称配筋a h h -=0，计算η，判别大小偏心，按大偏心计算，计算' s A 、s A ，55.00=<= b c bh f KN ζξ，a h x '>=20ξ，)5.01(ζζα-=s ，a h -+=20λλη，%2.0) (0min 020=>'-'-=='bh a h f bh f KN A A y c s s s ραλ。

高考志愿填报建议大学专业解析水工结构工程

水工结构工程一、专业介绍 1、学科简介 “水工结构工程”是“水利工程”一级学科的二级学科。本学科是研究水利水电工程勘测、设计、施工及运行管理等方面存在的直接关系到水电工程安全、进度及投资等重大科技问题的学科，如高坝设计理论及方法、高坝筑坝技术、高陡边坡加固物理仿真、水工结构监测新技术（特别是光纤监测及CT技术）、水工结构地基的动力相互作用与地基地震波输入研究、坝体、库水的动态耦合研究、坝体强度的地震破坏机理研究、材料的多轴向性能、高性能混凝土、坝址地震的随机性与坝体抗震可靠性研究以及水工结构抗震分析等方面。2、专业培养目标本学科专业培养水工结构工程方面的高层次人才，具有坚实宽广的基础理论，系统深入的专门知识及必要的工程实践知识，能够胜任高等教育、科学研究或大型工程技术研发与管理等方面工作。能熟练阅读本专业外文资料，具有一定的外文写作能力和进行国际学术交流能力。掌握学科研究前沿动态；能熟练应用现代基础理论和先进的计算方法和实验技术手段开展卓有成效的研究工作，具有解决水利工程中重大工程技术问题的能力。

3、专业方向 01水工结构安全工程 02混凝土坝工程 03土石坝工程 04水闸、船闸及输水建筑物工程 05高边坡及地下结构工程 06水工建筑物近代设计方法及数字化技术 4、考试科目 ①101思想政治理论 ②201英语一或202俄语或203日语或244德语 ③301数学一 ④813材料力学或814水力学（注：各个学校专业方向，考试科目有所不同，以上以河海大学为例）二、就业前景 1、就业方向（1）、业主单位。譬如三峡开发总公司、二滩水电开发公司等。这些单位就是水电工程的投资单位，所以这些单位的待遇相对较好，工作轻松，但是是在工程现场或者是在水电站，远离城市的。（2）、设计单位。众多水电设计院。这些单位由于近几年水电开发高

水工结构

水工钢结构简答题

水工建筑物分类

最新国家开放大学电大本科《水工钢筋混凝土结构》期末题库及答案

水工钢筋混凝土结构课程设计

水工钢筋混凝土结构学复习整理汇总

水工钢筋混泥土结构设计

水工钢结构课程设计

水工钢闸门结构设计(详细计算过程)

水工建筑物及其答案

水工钢筋混凝土结构综合练习题

27-水工钢结构设计课程大纲2020

水工钢筋混凝土结构学习题

水工混凝土结构设计

水工钢结构习题

水工建筑物 知识点汇总

建筑业趋势!水工钢筋混凝土结构学

高考志愿填报建议大学专业解析水工结构工程

水工建筑物知识点汇总