基于ANSYS軟件的混凝土重力壩分析

馮萍

摘 要：重力壩的優點：（1）比較好建造，對環境要求也不高；（2）工作效果很好；（3）運行相當安全；（4）泄洪方便，導流容易；（5）受力明確，結構簡單。不足的地方：重力壩工作特點，是依靠自重的作用，來維持重力壩本身的穩定，所以防滑這部分的工作就顯得尤為重要。我們可以通過使用ANSYS、ADINA、Abaqus、MSC等有限元分析軟件，對混凝土重力壩進行檢測與分析。文章中主要是用ANSYS分析重力壩，然后根據分析的結果對重力壩壩型進行完善。

關鍵詞：ANSYS；有限元分析軟件；重力壩

中圖分類號：TV642.3 文獻標志碼：A 文章編號：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

重力壩[1]具有很悠久歷史，二十世紀以來，隨著計算機的發展、筑壩材料的更新、機械化程度的提高、自動化程度的提高等因素影響下，重力壩的結構設計與布局也逐步趨于現代化。特別是近現代，隨著人工智能AI的出現，重力壩的設計理論出現了多樣化與現代化，如材料力學法，彈性力學法、有限元法等。觀測設施的不斷改進與完善，可以為我們提供大量真實可信的數據，我們通過這些數據進行科學研究，以解決現實中的問題，從而使得重力壩型建造的更加合理與完善。

1 有限元方法

1.1 有限元基本概念

有限元的理論[2-3]是基于是把連續的結構模型，進行離散化，然后按照固定的模式互相聯結，形成一個單元的組合體，這樣使多自由度的情況轉換為可以解決的有限自由度問題，從而可以解決傳統力學不能解決的復雜結構難題。

1.2 有限元分析軟件ANSYS功能主要有

（1）建立有限元體系模型或導入產品、構件、體系以及系統CAD的模型；（2）定義材料屬性；（3）劃分網格；（4）設置邊界要求以及施加負荷和其它分析條件；（5）歸納結構體系的物理反應，例如：應力、變形、溫升、磁場等；（6）進行結構分析或體系的優化，以減少產品的成本；（7）進行數值模擬實驗。

有限元軟件ANSYS[4-5]具有以下特性：（1）多種自動網格劃分技術；（2）良好的用戶開發環境。

2 計算建模

2.1 壩體具體材料

由《混凝土重力壩設計規范SL319-2005》[6]及《水工混凝土結構設計規范SL191-2008》[7]的相關規定，計算模型中各部分的材料的物理參數見表1。

2.2 模型建立

為了計算的簡便，將壩體和邊界條件進行了相應的簡化。根據工況概況，有限元軟件ANSYS分析中，混凝土采用SOLID65單元，巖石采用SOLID45單元，定義完材料特性之后，可以建立重力壩的模型如下圖1，最后對這個模型進行網格劃分。

2.3 作用載荷

作用在重力壩上的主要載荷有：重力壩的自身重力、靜水壓力與揚壓力等。壩體的自身重量是主要載荷之一：壩體材料容重可近似取？酌=23.5～24kN/m3；重力加速度g=9.8m/s2；壩面的水壓力即靜水壓力。

2.3.1 水壓力

作用在壩面上的靜水壓力：靜水水平力和靜水垂直力。

靜水水平力

P=？酌H2 （1）

靜水垂直力

P=？酌nH2 （2）

式中：？酌為水的容重；H為該店至水面的深度（m）；n為上游（下游）的壩面坡度；P為靜水壓力（kN）。

2.3.2 揚壓力

揚壓力由滲透壓力和托浮力兩部分組成。混凝土重力壩內部和表面存在著空隙，空隙數量在壩基巖石上很少，但還是存在裂縫和節理，所以這就導致了混凝土重力壩在水庫蓄水后，在上、下游水位差的作用下，庫水經過壩體及壩基的接觸面向下游滲透，從而引起滲透壓力。上浮力是由下游水深淹沒壩體計算截面而產生向上的托浮力。

2.3.3 靜力計算載荷加載

2.3.4 動力學分析結果

圖5上下游水位最高，其應力值最大，大壩的壩趾左右兩側的壓應力最大，其主應力以壓應力為主，壩踵以及壩趾處的應力值較大。

參考文獻：

[1]潘家錚.重力壩設計[M].北京：水利電力出版社，1987.

[2]張壁城.水工建筑物的有限元分析[M].北京：水利電力出版，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土木工程應用實例[M].北京：中國水利水電出版社，2005.

[5]譚建國.使用ANSYS6.0進行有限元分析[M].北京：北京大學出版社，2002.

[6]SL319-2005.中華人民共和國水利部.混凝土重力壩設計規范

[S].北京：中國水利水電出版社，2005：1-50.

[7]SL191-2008.中華人民共和國水利部.水工混凝土結構設計規范 [S].北京：水利電力出版社，2009：1-50.