基于生死單元原理的拱壩體形優化

何華志,李 瓊,劉 瑩

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

基于生死單元原理的拱壩體形優化

何華志1,李 瓊1,劉 瑩2

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

以有限元軟件ANSYS10.0為平臺,運用生死單元理論,模擬壩體的施工澆注過程,同時考慮溫度荷載作為耦合荷載的形式對拱壩進行應力分析,對拱壩重力荷載分步作用和整體作用兩種情況下進行結構對比分析,得到了優化的拱壩體形,使優化后的壩體體積較小,更加符合實際應用。

混凝土拱壩;ANSYS;生死單元;模擬澆注

0 引 言

隨著計算機硬件和軟件技術的發展,有限元法得到越來越廣泛的應用,對于任何形狀的拱壩,可以考慮復雜的地形、地貌和地質條件。結構離散化是有限元分析的基礎,離散化就是把求解的區域剖分成網格,把整體離散為各個單元,離散后的單元與單元之間利用單元的結點相互連接起來,并構成一個單元的集合體,這就是生死單元原理的應用前提。所謂生死單元技術就是依照仿真進程,在有限元模型中,自由地將局部單元的質量矩陣和剛度矩陣乘以一個縮減因子,并同時刪除該單元節點上的載荷,從而達到殺死該單元的目的,再根據需要調整縮減因子的數值,重新激活單元的技術[1]。

本文以有限元軟件ANSYS10.0為平臺,在建模時,考慮施工過程,按施工縫對壩體剖分單元,以便順利實現施工過程仿真[2]。在計算時,按照施工先后順序,將未施工部分的單元全部“殺死”,在計算完成并進入下一載荷步時,再將當前施工部分的單元“激活”過來,而先前施工完成的單元仍為活單元。當所有施工計算完成時,再將剖分的各壩塊相加使其成為一個整體,以此來實現拱壩的封拱。

1 工程算例應用

1.1 工程概況

某水利樞紐工程主要由混凝土拋物線拱壩、泄洪洞及引水發電等建筑物組成。壩址處寬高比2∶1,為V型河谷,谷底對稱,寬50 m。平面上向下游收縮的喇叭形,壩肩巖體堅硬完整,風化深度淺,可看作整體無裂隙。拱壩最大壩高100 m,左、右岸頂拱拱圈中心曲線在壩肩的交點位于同一條水平線上[3],壩頂處左、右拱軸線弦長分別為115 m、85 m。壩體的材料參數見表1,溫度特征值見表2。

表1 材料參數表

表2 溫度特征值表

1.2 溫度荷載作用

對拱壩來講,溫度作用是拱壩設計中的一項主要荷載[4]。本文主要考慮的溫度荷載是以封拱溫度場為初始溫度場的壩體溫度場變化,根據規范溫升和溫降情況,確定計算模型溫度邊界條件,邊界溫度按年變化取值,并進行有限元溫度場計算,然后,溫度場與封拱溫度的溫差作為溫度荷載對拱壩進行應力分析,作為拱壩所受荷載的一個荷載步。

在變化的溫度場中,溫度應力的極值比氣溫極值一般滯后1月～1.5月,通常氣溫1月中旬最低,7月中旬最高,溫度應力極值大致發生在2月中旬和8月中旬。根據溫度場的變化情況,將溫度荷載作用分為溫升、溫降兩個工況,即溫升荷載為水上表面24.37℃,水下表面溫度為模型內部溫度場與封拱溫度的溫差;溫降荷載為水上表面9.83℃,水下表面溫度為模型內部溫度場與封拱溫度的溫差;分拱溫度取為14℃。

1.3 模型建立

采用APDL參數化設計建立有限元模型[5]。壩體按高程方向分9層,壩體由右至左共分為26個壩塊。溫度場和應力場計算采用相同的有限元模型,壩體和巖體采用10結點四面體等參單元劃分,結點總數8866,總單元5355個,其中壩體單元1 643個。有限元計算模型網格劃分如圖1所示,模擬澆筑順序見圖2。結構分析采用SOLID92,熱分析采用SOLID87,熱分析之后,再將熱分析單元SOLID87自動轉換為相應的結構單元SOLID92,進行結構計算。

1.4 優化結果分析

此次自重荷載分步模擬優化共迭代了19次,在迭代的開始階段各設計變量的取值差值波動較大,隨著計算的進行,波動逐漸平緩,直到達到最優;整體優化共迭代了21次,在第20次迭代時最大拉應力和最大壓應力滿足條件。分步模擬優化后應力結果分析見圖3～圖4,整體模擬優化后應力結果分析見圖5～圖6。由應力圖圖3～圖6可以看出,分步模擬優化優化結果的上、下游面應力分布比較合理,最大拉應力主要發生在上游面右岸壩肩的中下部,最大壓應力發生在下游面壩址處,且其最大拉應力較整體模擬優化結果有明顯減小,分步模擬優化和整體模擬拱壩體型參數優化結果比較見表3。分步計算整體優化所得的壩體體積更小,其壩體體積較少了18.7%,大大減少工程量,節省投資。

圖1 壩體有限元模型

圖2 壩體澆注順序

表3 分步模擬優化和整體模擬拱壩體型參數優化結果比較表

圖3 分步模擬上游面第一主應力分布圖

圖4 分步模擬下游面第三主應力分布圖

2 結 語

圖5 整體模擬上游面第一主應力分布圖

圖6 整體模擬下游面第三主應力分布圖

本文以有限元軟件ANSYS10.0為平臺,運用生死單元理論,考慮溫度荷載作為耦合荷載的形式對拱壩進行應力分析,得到以下結論。

(1)利用“生死單元”可以較好地模擬施工過程,利用“單元死活”功能進行模擬澆注分析,其位移值、應力值都較真實,可以很好地模擬拱壩分層、分塊澆注過程。

(2)自重計算對壩體應力值有重要影響。拱壩自重分步施加相對于自重整體施加,壩體拉壓力、壓應力分布規律沒有較大差異,但最大拉應力和最大壓應力的數值卻均有明顯減小。

(3)在拱壩進行優化分析時考慮施工過程,所得拱壩體形優化結果更加接近實際,優化后的壩體體積較小。

[1]王 棟,李守義,曹 蔚.基于ANSYS的拱壩體形優化設計[J].水利水運工程學報,2005,(4):51-55.

[2]中華人民共和國水利部.SL282—2003.混凝土拱壩設計規范[S].北京:中國水利水電出版社,2003.

[3]陳知淵.拱壩及其優化方法的發展現狀與展望[J].水利與建筑工程學報,2000,(4):91-93.

[4]朱伯芳,高季章,陳祖煜,等.拱壩設計與研究[M].北京:中國水利水電出版社,2002.

[5]朱伯芳.大體積混凝土溫度應力與溫度控制[M].北京:中國電力出版社,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

何華志(1963—),男(漢族),浙江臨海人,工程師,主要從事水利工程施工與管理工作。