知识点：拱坝设计

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（一） 一般荷载的特点

１．水平径向荷载

● 水平径向荷载种类：静水压力、泥沙压力、浪压力及冰压力。

● 荷载的分配：静水压力是坝体上的最主要荷载，应由拱、梁系统共同承担，可通过拱梁分载法来确定拱系和梁系上的荷载分配。

● 计算：水平径向静水压力的计算如下：

         

式中： P—作用于坝面的静水压力强度；

γ—水的重度；

h—计算点处的水深。

将P转化为拱轴线上的压力强度P’时，则

           

式中R_u、R分别为拱圈外弧半径和平均半径。

2．自重

● 荷载的分配：全部自重应由悬臂梁承担。

● 荷载的计算：如图所示，截面A₁与A₂间的坝块自重G可按辛普森公式计算：

         

式中：  r _h—混凝土重度，kN/m³；

ΔZ—计算坝块的高度，m；

A₁、A₂、A_m —分别为上、下两端和中间截面的面积，m²。

坝块自重计算图

3．扬压力

● 扬压力的特点：拱坝坝体一般较薄，坝体内部扬压力对应力影响不大，对薄拱坝通常可忽略不计。

（二） 温度荷载

● 原因：拱坝为一超静定结构，在上下游水温、气温周期性变化的影响下，坝体温度将随之变化，并引起坝体的伸缩变形，在坝体内将产生较大的温度应力。温度荷载是拱坝设计的主要荷载。

● 封拱温度:拱坝系分块浇筑，经充分冷却，当坝体温度逐渐降至相对稳定值时，进行封拱灌浆，形成整体。拱坝封拱一般选在气温为年平均气温或略低于年平均气温时进行。封拱时温度愈低，建成后愈有利于降低坝体拉应力。在封拱时的坝体温度称作封拱温度。

● 温度荷载:是指拱坝形成整体后，坝体温度相对于封拱温度的变化值。

● 温降当坝体温度低于封拱温度时，称温降，拱圈将缩短并向下游变位，由此产生的弯矩、剪力及位移的方向都与库水压力作用下所产生的弯矩、剪力及位移的方向相同，但轴力方向相反；

● 温升当坝体温度高于封拱温度时，称温升，拱圈将伸长并向上游变位，如图3-9（b），由此产生的弯矩、剪力和位移的方向与库水压力所产生的方向相反，但轴力方向则相同。因此，在一般情况下，温降对坝体应力不利；温升将使拱端推力加大，对坝肩稳定不利。

坝体由温度变化的变形示意图

● 温度荷载的种类：均匀温度变化（t₁）等效线性温差（t₂）非线性温度变化（t₃）

1．均匀温度变化（t₁）

这是温度荷载的主要部分。

2．等效线性温差（t₂）

水库蓄水后，由于水库水温变幅小于下游气温变幅，故沿坝厚常有温度梯度t₂/T。它对拱圈力矩的影响较大，而对拱圈轴向力和悬臂梁力矩的影响很小。在中、小型工程中一般可不考虑。

3．非线性温度变化（t₃）    

它是以坝体温度变化曲线上扣去t₁和t₂后的剩余部分，产生局部应力，在拱坝设计中一般可略去不计。

对于中、小型拱坝，可视情况采用下列经验公式作拱坝的温度荷载计算：

     （⁰C）                    

或    （⁰C）              

拱圈截面温度变化图

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