基于生死单元原理的拱坝体形优化

何华志,李 琼,刘 莹

(1.临海市水利局,浙江临海 317000;2.杭州大地科技有限公司,浙江杭州 310012)

基于生死单元原理的拱坝体形优化

何华志1,李 琼1,刘 莹2

(1.临海市水利局,浙江临海 317000;2.杭州大地科技有限公司,浙江杭州 310012)

以有限元软件ANSYS10.0为平台,运用生死单元理论,模拟坝体的施工浇注过程,同时考虑温度荷载作为耦合荷载的形式对拱坝进行应力分析,对拱坝重力荷载分步作用和整体作用两种情况下进行结构对比分析,得到了优化的拱坝体形,使优化后的坝体体积较小,更加符合实际应用。

混凝土拱坝;ANSYS;生死单元;模拟浇注

0 引 言

随着计算机硬件和软件技术的发展,有限元法得到越来越广泛的应用,对于任何形状的拱坝,可以考虑复杂的地形、地貌和地质条件。结构离散化是有限元分析的基础,离散化就是把求解的区域剖分成网格,把整体离散为各个单元,离散后的单元与单元之间利用单元的结点相互连接起来,并构成一个单元的集合体,这就是生死单元原理的应用前提。所谓生死单元技术就是依照仿真进程,在有限元模型中,自由地将局部单元的质量矩阵和刚度矩阵乘以一个缩减因子,并同时删除该单元节点上的载荷,从而达到杀死该单元的目的,再根据需要调整缩减因子的数值,重新激活单元的技术[1]。

本文以有限元软件ANSYS10.0为平台,在建模时,考虑施工过程,按施工缝对坝体剖分单元,以便顺利实现施工过程仿真[2]。在计算时,按照施工先后顺序,将未施工部分的单元全部“杀死”,在计算完成并进入下一载荷步时,再将当前施工部分的单元“激活”过来,而先前施工完成的单元仍为活单元。当所有施工计算完成时,再将剖分的各坝块相加使其成为一个整体,以此来实现拱坝的封拱。

1 工程算例应用

1.1 工程概况

某水利枢纽工程主要由混凝土抛物线拱坝、泄洪洞及引水发电等建筑物组成。坝址处宽高比2∶1,为V型河谷,谷底对称,宽50 m。平面上向下游收缩的喇叭形,坝肩岩体坚硬完整,风化深度浅,可看作整体无裂隙。拱坝最大坝高100 m,左、右岸顶拱拱圈中心曲线在坝肩的交点位于同一条水平线上[3],坝顶处左、右拱轴线弦长分别为115 m、85 m。坝体的材料参数见表1,温度特征值见表2。

表1 材料参数表

表2 温度特征值表

1.2 温度荷载作用

对拱坝来讲,温度作用是拱坝设计中的一项主要荷载[4]。本文主要考虑的温度荷载是以封拱温度场为初始温度场的坝体温度场变化,根据规范温升和温降情况,确定计算模型温度边界条件,边界温度按年变化取值,并进行有限元温度场计算,然后,温度场与封拱温度的温差作为温度荷载对拱坝进行应力分析,作为拱坝所受荷载的一个荷载步。

在变化的温度场中,温度应力的极值比气温极值一般滞后1月～1.5月,通常气温1月中旬最低,7月中旬最高,温度应力极值大致发生在2月中旬和8月中旬。根据温度场的变化情况,将温度荷载作用分为温升、温降两个工况,即温升荷载为水上表面24.37℃,水下表面温度为模型内部温度场与封拱温度的温差;温降荷载为水上表面9.83℃,水下表面温度为模型内部温度场与封拱温度的温差;分拱温度取为14℃。

1.3 模型建立

采用APDL参数化设计建立有限元模型[5]。坝体按高程方向分9层,坝体由右至左共分为26个坝块。温度场和应力场计算采用相同的有限元模型,坝体和岩体采用10结点四面体等参单元划分,结点总数8866,总单元5355个,其中坝体单元1 643个。有限元计算模型网格划分如图1所示,模拟浇筑顺序见图2。结构分析采用SOLID92,热分析采用SOLID87,热分析之后,再将热分析单元SOLID87自动转换为相应的结构单元SOLID92,进行结构计算。

1.4 优化结果分析

此次自重荷载分步模拟优化共迭代了19次,在迭代的开始阶段各设计变量的取值差值波动较大,随着计算的进行,波动逐渐平缓,直到达到最优;整体优化共迭代了21次,在第20次迭代时最大拉应力和最大压应力满足条件。分步模拟优化后应力结果分析见图3～图4,整体模拟优化后应力结果分析见图5～图6。由应力图图3～图6可以看出,分步模拟优化优化结果的上、下游面应力分布比较合理,最大拉应力主要发生在上游面右岸坝肩的中下部,最大压应力发生在下游面坝址处,且其最大拉应力较整体模拟优化结果有明显减小,分步模拟优化和整体模拟拱坝体型参数优化结果比较见表3。分步计算整体优化所得的坝体体积更小,其坝体体积较少了18.7%,大大减少工程量,节省投资。

图1 坝体有限元模型

图2 坝体浇注顺序

表3 分步模拟优化和整体模拟拱坝体型参数优化结果比较表

图3 分步模拟上游面第一主应力分布图

图4 分步模拟下游面第三主应力分布图

2 结 语

图5 整体模拟上游面第一主应力分布图

图6 整体模拟下游面第三主应力分布图

本文以有限元软件ANSYS10.0为平台,运用生死单元理论,考虑温度荷载作为耦合荷载的形式对拱坝进行应力分析,得到以下结论。

(1)利用“生死单元”可以较好地模拟施工过程,利用“单元死活”功能进行模拟浇注分析,其位移值、应力值都较真实,可以很好地模拟拱坝分层、分块浇注过程。

(2)自重计算对坝体应力值有重要影响。拱坝自重分步施加相对于自重整体施加,坝体拉压力、压应力分布规律没有较大差异,但最大拉应力和最大压应力的数值却均有明显减小。

(3)在拱坝进行优化分析时考虑施工过程,所得拱坝体形优化结果更加接近实际,优化后的坝体体积较小。

[1]王 栋,李守义,曹 蔚.基于ANSYS的拱坝体形优化设计[J].水利水运工程学报,2005,(4):51-55.

[2]中华人民共和国水利部.SL282—2003.混凝土拱坝设计规范[S].北京:中国水利水电出版社,2003.

[3]陈知渊.拱坝及其优化方法的发展现状与展望[J].水利与建筑工程学报,2000,(4):91-93.

[4]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.

[5]朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制[M].北京:中国电力出版社,1999.

Shape Optimization of Arch Dam Based on Principle of Life and Death Unit

HE Hua-zhi1,LI Qiong1,LIU Ying2
(1.Linhai City Water Conservancy Bureau,Linhai,Zhejiang317000,China;2.HangzhouDadi Science and Technology Co.,Ltd.,Hangzhou,Zhejiang310012,China)

Taking the finite element software ANSYS 10.0 as a platform and using the life and death unit theory,the casting process in dam-body construction is simulated here.Simultaneously,taking into account the temperature load as the coupling load,the stress analysis is made for the arch dam,and under two conditions of the step-by-step role and overall role of the arch dam's gravity load,the comparison analysis ismade for the structure,then the arch dam's shape is optimized,which would make the dam body smaller and more realistic in application.

concrete arch dam;ANSYS;life and death unit;simulation casting

TV642.4

A

1672—1144(2012)05—0155—03

2012-04-10

2012-05-20

何华志(1963—),男(汉族),浙江临海人,工程师,主要从事水利工程施工与管理工作。