基于ANSYS软件的混凝土重力坝分析

冯萍

摘 要：重力坝的优点：（1）比较好建造，对环境要求也不高；（2）工作效果很好；（3）运行相当安全；（4）泄洪方便，导流容易；（5）受力明确，结构简单。不足的地方：重力坝工作特点，是依靠自重的作用，来维持重力坝本身的稳定，所以防滑这部分的工作就显得尤为重要。我们可以通过使用ANSYS、ADINA、Abaqus、MSC等有限元分析软件，对混凝土重力坝进行检测与分析。文章中主要是用ANSYS分析重力坝，然后根据分析的结果对重力坝坝型进行完善。

关键词：ANSYS；有限元分析软件；重力坝

中图分类号：TV642.3 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）29-0055-02

Abstract： The advantages of gravity dam： better construction， the environmental requirements are not high， the work effect is very good， the operation is very safe， flood discharge is convenient， the diversion is easy， the force is clear， the structure is simple. The insufficient place： the gravity dam work characteristic， is relies on the self-weight the function， maintains the gravity dam itself the stability， therefore the non-slip this part of work appears to be particularly important. We can use ANSYS， ADINA， Abaqus， MSC and other finite element analysis software to detect and analyze the concrete gravity dam. In this paper， the gravity dam is analyzed by ANSYS， and then the gravity dam type is perfected according to the analysis results.

Keywords： ANSYS； finite element analysis software； gravity dam

引言

重力坝[1]具有很悠久历史，二十世纪以来，随着计算机的发展、筑坝材料的更新、机械化程度的提高、自动化程度的提高等因素影响下，重力坝的结构设计与布局也逐步趋于现代化。特别是近现代，随着人工智能AI的出现，重力坝的设计理论出现了多样化与现代化，如材料力学法，弹性力学法、有限元法等。观测设施的不断改进与完善，可以为我们提供大量真实可信的数据，我们通过这些数据进行科学研究，以解决现实中的问题，从而使得重力壩型建造的更加合理与完善。

1 有限元方法

1.1 有限元基本概念

有限元的理论[2-3]是基于是把连续的结构模型，进行离散化，然后按照固定的模式互相联结，形成一个单元的组合体，这样使多自由度的情况转换为可以解决的有限自由度问题，从而可以解决传统力学不能解决的复杂结构难题。

1.2 有限元分析软件ANSYS功能主要有

（1）建立有限元体系模型或导入产品、构件、体系以及系统CAD的模型；（2）定义材料属性；（3）划分网格；（4）设置边界要求以及施加负荷和其它分析条件；（5）归纳结构体系的物理反应，例如：应力、变形、温升、磁场等；（6）进行结构分析或体系的优化，以减少产品的成本；（7）进行数值模拟实验。

有限元软件ANSYS[4-5]具有以下特性：（1）多种自动网格划分技术；（2）良好的用户开发环境。

2 计算建模

2.1 坝体具体材料

由《混凝土重力坝设计规范SL319-2005》[6]及《水工混凝土结构设计规范SL191-2008》[7]的相关规定，计算模型中各部分的材料的物理参数见表1。

2.2 模型建立

为了计算的简便，将坝体和边界条件进行了相应的简化。根据工况概况，有限元软件ANSYS分析中，混凝土采用SOLID65单元，岩石采用SOLID45单元，定义完材料特性之后，可以建立重力坝的模型如下图1，最后对这个模型进行网格划分。

2.3 作用载荷

作用在重力坝上的主要载荷有：重力坝的自身重力、静水压力与扬压力等。坝体的自身重量是主要载荷之一：坝体材料容重可近似取？酌=23.5～24kN/m3；重力加速度g=9.8m/s2；坝面的水压力即静水压力。

2.3.1 水压力

作用在坝面上的静水压力：静水水平力和静水垂直力。

静水水平力

P=？酌H2 （1）

静水垂直力

P=？酌nH2 （2）

式中：？酌为水的容重；H为该店至水面的深度（m）；n为上游（下游）的坝面坡度；P为静水压力（kN）。

2.3.2 扬压力

扬压力由渗透压力和托浮力两部分组成。混凝土重力坝内部和表面存在着空隙，空隙数量在坝基岩石上很少，但还是存在裂缝和节理，所以这就导致了混凝土重力坝在水库蓄水后，在上、下游水位差的作用下，库水经过坝体及坝基的接触面向下游渗透，从而引起渗透压力。上浮力是由下游水深淹没坝体计算截面而产生向上的托浮力。

2.3.3 静力计算载荷加载

2.3.4 动力学分析结果

图5上下游水位最高，其应力值最大，大坝的坝趾左右两侧的压应力最大，其主应力以压应力为主，坝踵以及坝趾处的应力值较大。

参考文献：

[1]潘家铮.重力坝设计[M].北京：水利电力出版社，1987.

[2]张壁城.水工建筑物的有限元分析[M].北京：水利电力出版，1991.

[3]Lokke，A，Chopra，AK.Direct finite element method for nonlinear earthquake analysis of 3-dimensional semi-unbounded dam-water-foundation rock systems[J].EARTHQUAKE ENGINEERING

&STRUCTURAL; DYNAMICS，2018，47：1309-1328.

[4]郝文化.ANSYS土木工程应用实例[M].北京：中国水利水电出版社，2005.

[5]谭建国.使用ANSYS6.0进行有限元分析[M].北京：北京大学出版社，2002.

[6]SL319-2005.中华人民共和国水利部.混凝土重力坝设计规范

[S].北京：中国水利水电出版社，2005：1-50.

[7]SL191-2008.中华人民共和国水利部.水工混凝土结构设计规范 [S].北京：水利电力出版社，2009：1-50.