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【摘 要】 拱坝具有结构合理、用材最省、稳定性好、超载能力强等优点，但其类型较多，受力条件也较复杂，因而设计计算工作十分繁琐。如何利用现代计算机技术，辅助进行拱坝设计，使原来复杂设计过程的每个环节变得清晰可见，使设计者从重复繁重的劳动中解放出来，并使设计工作效率和质量得到提高，是一项有实际意义的研究课题。本文作者对拱坝的特点及拱坝应力分析CAD系统的研制与开发进行简要介绍。
【关键词】 拱坝;CAD系统;应力分析
拱壩是一种坝身及基础工作条件好、超载能力强的坝工结构。有可靠的抵御意外洪水和涌浪翻坝的能力，抗震性能好，垮坝事故率低，耐久性好，安全性高，且经济合理。由于拱坝设计计算和施工技术的复杂性，使得计算机技术在拱坝中的应用越来越迫切。
1.拱坝的结构特点
拱坝是一种体形复杂、规模宏大的空间壳型结构，在立面上可以看作是由许多水平拱圈叠成，两端嵌入岩体内，在横断面上看，它是由许多弯曲或铅直的悬臂梁组成。当承受水压力等外荷载时，借助拱的作用，拱坝把大部分的库水压力以水平推力方式传至坝端两岸岩体，少部分荷载靠悬臂梁作用传递给地基。总的说来，拱坝主要具有以下特点：
1.1受力条件好
主要依靠坝体混凝土及坝基岩体的抗压强度而不是坝体的有效重量来保障大坝安全，充分利用了混凝土和岩石抗压强度高的特性。
1.2坝的体积小，造价便宜
在坝址、坝高条件相同的情况下，拱坝所需的坝体混凝土为重力坝的13/-2/3。
1.3超载能力强，安全度高
坝体是一种高次超静定的结构，具有相当强的承载能力，当外荷载增加或拱坝某局部开裂时，坝体应力可以自行调整，同时拱坝能将相当一部分荷载传递至基础岩体的较深部位，只要基础岩体本身或经处理后坚实完整、稳定可靠，坝体就不易发生整体破坏。在两岸有坚固岩体支撑的条件下，坝的破坏主要取决于压应力是否超过筑坝材料的强度极限。
1.4抗震性能好
拱坝是整体性的空间结构，坝体较轻韧，富有弹性，能自行调整其结构性能。
1.5施工技术要求高
拱坝坝体断面较薄，儿何形状复杂，对施工技术、施工质量控制、筑坝材料和地基处理的要求都非常严格。
2.拱坝的应力分析方法
拱坝属于高次超静定的整体性空间壳体结构，其几何形状、边界条件和应力状态十分复杂，难以用严格的理论计算求解拱坝坝体应力状态。因此，拱坝的应力分析广泛应用计算机进行，成为拱坝CAD软件的核心内容之一。
2.1拱梁分载法
拱梁分载法又称试载法，它的基本概念是：把拱坝看作由一系列的水平拱圈和铅直梁所组成，荷载由拱和梁共同承担，根据拱、梁各交点（称为共辘点）处变位一致的条件，由试荷载的方法确定拱、梁系统的荷载分配。然后梁按静定结构计算应力，拱按弹性拱的纯拱法计算应力。这种方法在一定程度上反映了拱坝的整体作用，它包括拱冠梁法、多拱梁法等。
尽管拱梁分载法有很多优点，但是也存在一些缺点：第一，计算方法和假定具有一定的近似性，如拱和梁计算中均采用结构力学的假定，拱坝坝基的变位多年来一直沿用比较粗略的伏格特方法来确定。第二，计算中某些问题的处理具有一定的任意性，如基础点上荷载分配的假定，梁的切取方法，大体积空间结构简化为杆系格栅结构的近似性等。第三，拱梁分载法不便于进行动力分析、温度场分析和非线性分析。第四，对于坝体内设有大孔口，以及基础条件复杂的情况，用拱梁分载法计算难以得出满意的结果。
2.2纯拱法
纯拱法忽略了拱圈之间的相互作用，这与实际情况是有差别的，但是因为它计算简便、概念明确，适合于在狭窄的U形河谷中建造的拱坝设计计算。
根据纯拱法的计算理论，需要计算与拱圈尺寸、基础特性有关的形常数和与拱圈尺寸、基础特征及外荷载有关的载常数，虽然美国垦务局制成了可求解拱冠和拱端内力的数表，但这些数表的实际应用范围非常有限。
2.3有限元法
有限元法是求微分方程数值解的一种重要方法，它的分析拱坝应力的基本思想是：将坝体这个连续的空间结构离散成为有限个单元，单元间通过结点进行连接。通过确定各单元的刚度矩阵，并组合成整体刚度矩阵，即可建立结点位移和结点力之间的平衡方程，求出结点位移，从而求出应力。
但是，有限元法的主要缺点是处理的数据量大，解决工程问题必须首先编制计算机程序，运用计算机求解。
3. CAD系统的研究与开发：
计算机辅助设计技术，即CAD（Computer Aided Design）技术，就是利用计算机系统辅助工程的设计、修改、分析、优化和绘图等。CAD技术作为设计与绘图技术的一场革命，始于50年代后期，发展至今己经非常成熟。应用CAD技术能极大地提高设计速度和设计质量，并使设计人员从繁重重复的劳动中解放出来，去从事创造性、决策性的工作。
3.1拱坝应力分析CAD系统的发展
鉴于拱坝设计计算和施工技术的复杂性，早在20世纪70年代初期，我国拱坝设计就采用计算机应用技术，只是在当时条件下，发展较为缓慢。80年代中后期，CAD技术在全国较大范围内得到了普及和发展。1983年国务院电子振兴办公室和原水利电力部把《计算机辅助水利电力勘测设计系统》列为国家重点开发项目。八五期间，作为国家科技技术攻关重点科技项目，拱坝CAD技术在开发、应用、普及各方面取得了很大的进展，尤其是一些设计研究单位的专业人员单独或与计算机专业人员配合，相继开发了一些应用软件。
3.2 CAD系统的主要功能
3.2.1用户根据工程实际情况自主选择拱坝级别、体型与拱圈轴线（如圆弧拱等）、拱圈形式（等厚拱或变厚拱）、应力计算工况、应力计算方法及基础系数的计算方法等。 3.2.2用户自主输入原始地形参数和材料参数及坝体控制性参数，系统自动计算形成拱冠梁剖面和拱坝初步体型图。
3.2.3系统自动检查坝面光滑度，如圆心轨迹线是否光滑曲线，坝面的倒悬度是否满足$a /$H<0.3，并提示用户进行调整。
3.2.4系统根据拱坝的应力计算理论进行各截面的内力计算和应力计算。系统界面显示各高程拱圈上各截面的应力、拱冠梁的应力及拱梁分载图。
3.2.5系统根据用户的指示绘制拱坝平面图和各高程拱圈参数明细表，用户还可以界面上输入与设计者有关的信息，如单位名、工程名、审批、设计、制图、比例、日期等，自动生成图框中标题栏。
3.3 CAD系统的界面设计
一个良好的智能CAD系统，应具有友好的界面和良好交互性。系统可以根据拱坝的具体特点，在人机交互方面，提供给用户的是工程师所熟悉的很直观的人机界面。用户在界面的输入框中可一次性输入多个数据，如1～5层拱圈的高程及相应弦长、左右半中心角等，程序能够自动识别这些数据，分别记录到相应的拱圈数据库中，参数输入后，点击/确定按钮，该窗口消失，弹出一个结果输出框，显示各高程拱圈的各关键点的应力值（有正负）、均匀径向静水压、坝面温度荷载及温度应力，使得计算变得简洁、快捷，用戶对设计一目了然。
设计计算成果应符合设计规范及材料的应力控制标准。VB简洁有力的界面后台程序设计，可实现对设计计算结果的判断和评价。大量使用if else语句做出判断，并通过Text文本框显示在人机界面上。
3.4 CAD系统的参数化绘图
参数化绘图就是将图形的尺寸与一定的设计条件相关联，将图形的尺寸看成是设计条件的函数，当设计条件发生变化时，图形尺寸就会随之作相应改变更新。其主要包括参数化绘图模块和智能化辅助模块，参数化绘图模块完成直线、曲线等实体的创建工作;智能化辅助模块主要完成绘图比例、尺寸标注样式、字体样式等设置工作。
4.结言
国民经济的飞速发展，西部大开发的全面开展，对拱坝设计效率和设计周期的要求不断提高。其特殊的坝体结构所独具的力学性能，使得拱坝具有优越的经济性和安全性而成为当今大坝设计中的三大优选坝型之一。所以对于拱坝应力分析CAD系统的研制与开发需要更多的力量开发和完善，促进我国资源能源的开发和利用。
参考文献：
[1]朱伯芳，高季章，陈祖煜等.拱坝设计与研究[M].北京：中国水利水电出版社，2002.
[2]上海勘测设计研究院，长江水利委员会长江勘测规划设计研究院.混凝土拱坝设计规范[M].北京：中国水利水电出版社，2003.
[3]汪景琦.拱坝的设计和计算[M].北京：中国工业出版社，1964.
[4]王宏硕.水工建筑物）基本部分[M].北京：水利水电出版社，1990.
【关键词】 拱坝;CAD系统;应力分析
拱壩是一种坝身及基础工作条件好、超载能力强的坝工结构。有可靠的抵御意外洪水和涌浪翻坝的能力，抗震性能好，垮坝事故率低，耐久性好，安全性高，且经济合理。由于拱坝设计计算和施工技术的复杂性，使得计算机技术在拱坝中的应用越来越迫切。
1.拱坝的结构特点
拱坝是一种体形复杂、规模宏大的空间壳型结构，在立面上可以看作是由许多水平拱圈叠成，两端嵌入岩体内，在横断面上看，它是由许多弯曲或铅直的悬臂梁组成。当承受水压力等外荷载时，借助拱的作用，拱坝把大部分的库水压力以水平推力方式传至坝端两岸岩体，少部分荷载靠悬臂梁作用传递给地基。总的说来，拱坝主要具有以下特点：
1.1受力条件好
主要依靠坝体混凝土及坝基岩体的抗压强度而不是坝体的有效重量来保障大坝安全，充分利用了混凝土和岩石抗压强度高的特性。
1.2坝的体积小，造价便宜
在坝址、坝高条件相同的情况下，拱坝所需的坝体混凝土为重力坝的13/-2/3。
1.3超载能力强，安全度高
坝体是一种高次超静定的结构，具有相当强的承载能力，当外荷载增加或拱坝某局部开裂时，坝体应力可以自行调整，同时拱坝能将相当一部分荷载传递至基础岩体的较深部位，只要基础岩体本身或经处理后坚实完整、稳定可靠，坝体就不易发生整体破坏。在两岸有坚固岩体支撑的条件下，坝的破坏主要取决于压应力是否超过筑坝材料的强度极限。
1.4抗震性能好
拱坝是整体性的空间结构，坝体较轻韧，富有弹性，能自行调整其结构性能。
1.5施工技术要求高
拱坝坝体断面较薄，儿何形状复杂，对施工技术、施工质量控制、筑坝材料和地基处理的要求都非常严格。
2.拱坝的应力分析方法
拱坝属于高次超静定的整体性空间壳体结构，其几何形状、边界条件和应力状态十分复杂，难以用严格的理论计算求解拱坝坝体应力状态。因此，拱坝的应力分析广泛应用计算机进行，成为拱坝CAD软件的核心内容之一。
2.1拱梁分载法
拱梁分载法又称试载法，它的基本概念是：把拱坝看作由一系列的水平拱圈和铅直梁所组成，荷载由拱和梁共同承担，根据拱、梁各交点（称为共辘点）处变位一致的条件，由试荷载的方法确定拱、梁系统的荷载分配。然后梁按静定结构计算应力，拱按弹性拱的纯拱法计算应力。这种方法在一定程度上反映了拱坝的整体作用，它包括拱冠梁法、多拱梁法等。
尽管拱梁分载法有很多优点，但是也存在一些缺点：第一，计算方法和假定具有一定的近似性，如拱和梁计算中均采用结构力学的假定，拱坝坝基的变位多年来一直沿用比较粗略的伏格特方法来确定。第二，计算中某些问题的处理具有一定的任意性，如基础点上荷载分配的假定，梁的切取方法，大体积空间结构简化为杆系格栅结构的近似性等。第三，拱梁分载法不便于进行动力分析、温度场分析和非线性分析。第四，对于坝体内设有大孔口，以及基础条件复杂的情况，用拱梁分载法计算难以得出满意的结果。
2.2纯拱法
纯拱法忽略了拱圈之间的相互作用，这与实际情况是有差别的，但是因为它计算简便、概念明确，适合于在狭窄的U形河谷中建造的拱坝设计计算。
根据纯拱法的计算理论，需要计算与拱圈尺寸、基础特性有关的形常数和与拱圈尺寸、基础特征及外荷载有关的载常数，虽然美国垦务局制成了可求解拱冠和拱端内力的数表，但这些数表的实际应用范围非常有限。
2.3有限元法
有限元法是求微分方程数值解的一种重要方法，它的分析拱坝应力的基本思想是：将坝体这个连续的空间结构离散成为有限个单元，单元间通过结点进行连接。通过确定各单元的刚度矩阵，并组合成整体刚度矩阵，即可建立结点位移和结点力之间的平衡方程，求出结点位移，从而求出应力。
但是，有限元法的主要缺点是处理的数据量大，解决工程问题必须首先编制计算机程序，运用计算机求解。
3. CAD系统的研究与开发：
计算机辅助设计技术，即CAD（Computer Aided Design）技术，就是利用计算机系统辅助工程的设计、修改、分析、优化和绘图等。CAD技术作为设计与绘图技术的一场革命，始于50年代后期，发展至今己经非常成熟。应用CAD技术能极大地提高设计速度和设计质量，并使设计人员从繁重重复的劳动中解放出来，去从事创造性、决策性的工作。
3.1拱坝应力分析CAD系统的发展
鉴于拱坝设计计算和施工技术的复杂性，早在20世纪70年代初期，我国拱坝设计就采用计算机应用技术，只是在当时条件下，发展较为缓慢。80年代中后期，CAD技术在全国较大范围内得到了普及和发展。1983年国务院电子振兴办公室和原水利电力部把《计算机辅助水利电力勘测设计系统》列为国家重点开发项目。八五期间，作为国家科技技术攻关重点科技项目，拱坝CAD技术在开发、应用、普及各方面取得了很大的进展，尤其是一些设计研究单位的专业人员单独或与计算机专业人员配合，相继开发了一些应用软件。
3.2 CAD系统的主要功能
3.2.1用户根据工程实际情况自主选择拱坝级别、体型与拱圈轴线（如圆弧拱等）、拱圈形式（等厚拱或变厚拱）、应力计算工况、应力计算方法及基础系数的计算方法等。 3.2.2用户自主输入原始地形参数和材料参数及坝体控制性参数，系统自动计算形成拱冠梁剖面和拱坝初步体型图。
3.2.3系统自动检查坝面光滑度，如圆心轨迹线是否光滑曲线，坝面的倒悬度是否满足$a /$H<0.3，并提示用户进行调整。
3.2.4系统根据拱坝的应力计算理论进行各截面的内力计算和应力计算。系统界面显示各高程拱圈上各截面的应力、拱冠梁的应力及拱梁分载图。
3.2.5系统根据用户的指示绘制拱坝平面图和各高程拱圈参数明细表，用户还可以界面上输入与设计者有关的信息，如单位名、工程名、审批、设计、制图、比例、日期等，自动生成图框中标题栏。
3.3 CAD系统的界面设计
一个良好的智能CAD系统，应具有友好的界面和良好交互性。系统可以根据拱坝的具体特点，在人机交互方面，提供给用户的是工程师所熟悉的很直观的人机界面。用户在界面的输入框中可一次性输入多个数据，如1～5层拱圈的高程及相应弦长、左右半中心角等，程序能够自动识别这些数据，分别记录到相应的拱圈数据库中，参数输入后，点击/确定按钮，该窗口消失，弹出一个结果输出框，显示各高程拱圈的各关键点的应力值（有正负）、均匀径向静水压、坝面温度荷载及温度应力，使得计算变得简洁、快捷，用戶对设计一目了然。
设计计算成果应符合设计规范及材料的应力控制标准。VB简洁有力的界面后台程序设计，可实现对设计计算结果的判断和评价。大量使用if else语句做出判断，并通过Text文本框显示在人机界面上。
3.4 CAD系统的参数化绘图
参数化绘图就是将图形的尺寸与一定的设计条件相关联，将图形的尺寸看成是设计条件的函数，当设计条件发生变化时，图形尺寸就会随之作相应改变更新。其主要包括参数化绘图模块和智能化辅助模块，参数化绘图模块完成直线、曲线等实体的创建工作;智能化辅助模块主要完成绘图比例、尺寸标注样式、字体样式等设置工作。
4.结言
国民经济的飞速发展，西部大开发的全面开展，对拱坝设计效率和设计周期的要求不断提高。其特殊的坝体结构所独具的力学性能，使得拱坝具有优越的经济性和安全性而成为当今大坝设计中的三大优选坝型之一。所以对于拱坝应力分析CAD系统的研制与开发需要更多的力量开发和完善，促进我国资源能源的开发和利用。
参考文献：
[1]朱伯芳，高季章，陈祖煜等.拱坝设计与研究[M].北京：中国水利水电出版社，2002.
[2]上海勘测设计研究院，长江水利委员会长江勘测规划设计研究院.混凝土拱坝设计规范[M].北京：中国水利水电出版社，2003.
[3]汪景琦.拱坝的设计和计算[M].北京：中国工业出版社，1964.
[4]王宏硕.水工建筑物）基本部分[M].北京：水利水电出版社，1990.