Ansys大坝抗震详细步骤

基于ANSYS重力坝抗震性能分析

关键词：重力坝,力学简化,地震,变形,应力变化

基于ANSYS重力坝抗震性能分析

张向东许中国

（辽宁工程技术大学土木建筑工程学院辽宁阜新123000）

摘要：本文采用有限元分析方法，对重力坝进行了力学简化，分析了重力坝在8级地震作用下的变形和应力变化规律，以了解重力坝在设计条件下的工作性状和对坝体的抗震安全性能进行评估，为工程设计、施工提供了科学依据，分析结果也可供类似工程设计、施工时参考。

关键词：重力坝；力学简化；地震；变形；应力变化

Analysis of seismic performance of gravity dam based on ANSYS

Zhangxiangdong xuzhongguo liudongwei

( Liaoning Technical University Institute of architecture and civil engineering，Liaoning Fuxin 123000)

Abstract：In this paper, finite element method, mechanics of gravity have been simplified, analysis of gravity dam in the eight seismic deformation and stress changes in the law of gravity in order to understand conditions in the design of characters and the work of the seismic safety of dam performance assessment, for the engineering design and construction to provide a scientific basis, the results of the analysis are also available for similar projects in the design, construction reference.

Key words：gravity dam ；Simplified mechanical；earthquake；Deformation；Changes of stress

1 引言

重力坝是一种古老而重要的坝型，主要依靠坝体自身重力来维持坝身的稳定。岩基上重力坝的基本剖面呈三角形，上游面通常是垂直的或者稍倾向下游的三角形断面。

重力坝有以下优点：

（1）安全可靠，抵抗水的渗漏、洪水漫顶、地震破坏的能力比较强，因而失事率较低；

（2）对地形、地质条件适应性强，坝体作用于地基面上的压应力不高，所以对地质条件的要求也较低，低坝甚至可修建在土基上；

（3）枢纽泄洪容易解决，便于枢纽布置；

（4）施工方便，便于机械化施工；

（5）结构作用明确，应力计算和稳定计算比较简单。

鉴于重力坝有如此多的优点，所以它得到了广泛应用。但是许多大坝都是建在地震多发和高烈度地区，并且坝还要承受重力、水压力等长期荷载的作用，为确保工程和人民生命财产在偶发地震荷载作用下的安全，需对大坝进行抗震安全分析。

大坝位于8级地震区，大坝万一地震失事，后果将是灾难性的，因此其必需具有足够的抗震能力。地震对大坝可能构成的危害有：①坝基在振动过程中错断、变形甚至失稳、岸坡崩坍等；②水库坝前松动体发生滑动，堵塞底孔，引起巨大涌浪，漫越坝顶，使坝体破坏失事；③地震荷载使坝体折断、开裂、漏水或失稳。本文主要对第三种影响进行静、动力分析，以了解大坝在地震荷载作用下的应力应变性状、稳定安全度以及坝体可能出现的损伤部位，为采取相应的工程措施提供科学依据。

2 有限元计算模型

2.1 计算假定

（1）假定坝体材料是线弹性的，不同部位的材料有不同的弹性常数；

（2）库水假定为不可压缩流体，库水对坝体的动力相互作用以坝面附加质量的形式计入；

（3）地基为均匀的弹性体，在上下游方向及其基础深度的计算范围都取为2倍坝高；

（4）为消除地基对地震的放大作用，采用无质量地基方案近似考虑结构和地基间的动力相互作用。

2.2 边界条件和计算荷载

在重力坝抗震性能分析中，主要是给坝体底部施加自由度约束。

2.3 有限元模型

某坝高120m，坝底宽为76m，坝顶为10m，上游坝面坡度和下游坝面坡度如图1所示。

因为重力坝结构比较简单，垂直于长度方向的断面结构受力分布情况也基本相同，并且大坝的纵向长度远大于其横断面。因此，大坝抗震性能分析选用单位断面进行平面应变分析是可行的。

大坝抗震性能分析的计算条件如下：

（1）假设大坝的基础嵌入到基岩中，地基是刚性的；

（2）大坝采用的材料参数为：弹性模量E=35GPa，泊松比ν=0.2，容重γ=25KN/m3；

（3）计算分析大坝水位为120m；

（4）水的质量密度为1000kg/m3；

（5）大坝设防地震烈度为8，水平方向地震加速度值为0.2g。

模型共有424个节点，372个单元，计算模型如图2所示。

3 有限元计算

3.1有限元分析的力学简化

在采用有限元程序进行坝体工程力学分析时，如果按照真实的坝体模型进行分析，是一个三维问题，分析起来耗费时间和计算机资源，其分析结果未必很理想。通常处理的手段是根据弹性力学理论，将这种在纵向比较长而横断面比较小的坝体结构简化为平面应变的模式进行分析，即认为坝体结构在纵向是不变形的，没有位移，只在横断面方向产生位移，但是在纵向和横向都有应力产生，并且认为在横断面方向所产生的位移和应力是相等的。边界条件的简化是将基础端视为固定端，因坝体嵌入基岩内，这样的简化是合理的。

3.2计算分析方法

采用反应谱分析法进行坝体结构地震动力分析，动力计算考虑奇数阶振型。

反应谱分析法是以单质点弹性体系在实际地震过程中的反应为基础，来进行结构反应的分析，它通过反应谱巧妙地将动力问题静力化，使得复杂的结构地震反应计算变得简单易行。按照这一理论，应用地震谱曲线，就可以按照实际地面运动来计算建筑物的反应。使用已经确定的设计反应谱计算重力坝在地震作用下的反应，就归结为寻求坝体的自振特性。

地震产生的破坏，与受力大小和受频谱的最大振动的持续时间都有关系。在进行谱分析计算前，首先要计算大坝的自振特性。模态分析用于确定结构的振动特性，即结构的固有频率和振型，它们是结构承受动态荷载设计中的重要参数，也是更详细的动力分析的基础。

模态分析计算中采用了子空间迭代法提取模态。水深h处的地震动水压力的作用按下面公式转化为相应的坝面附加质量。

3.3 静力分析

在水荷载作用下坝体向下游倾斜，坝顶的水平向位移较正常蓄水位的位移略大，如图4所示。

在水平荷载作用下坝踵处出现拉应力，由于选用的混凝土强度较高，不至于使混凝土拉裂，还有足够的安全储备。非溢流坝段坝体位移分布规律基本一致，坝体水平方向最大位移为12.111mm，位置发生在坝顶；坝体垂直方向最大位移为0.44mm，发生在坝腹处。

1）变形验算

由图4可看出，最大的x方向位移为12.439mm，y方向位移为4.4mm。由图可知，其最大变形量为12.566mm。由混凝土规范变形要求得出，其最大的变形量为L/650mm，所以120000/650=184.615mm，L为坝高。故从变形的角度来看，该坝体工程是满足设计要求的。

2）强度验算

坝体以其控制设计的第一主应力为主，即最大压应力为3.16MPa，最大拉应力0.28MPa。根据混凝土结构设计规范，C50混凝土的抗拉强度设计值为 1.89MPa，抗压强度设计值为23.1Mpa,故从强度的角度来看，该坝体工程师满足设计要求的。

3.4 动力分析

绘制坝体振型图，如图5所示。

由图5可以看出，在地震作用下，水平向位移出现在坝中，最大动位移达1.407mm，主要由第二振型的贡献产生，竖直向最大动位移为0.615mm。下游折坡处最大压应力为0.13MPa，坝体约100m高程处出现竖向最大拉应力为0.479MPa，它们有超过混凝土的动抗拉、压强度的趋势，这些部位在设计和施工时应给与足够的重视。另外，在第3阶振型，在坝顶出现应力集中，施工中也应加以重视。

调出模态分析各阶频率，并由公式(2)求出反应谱值，如表1所示。

表 1 大坝动力计算18阶振动频率及反应谱值（单位：Hz）

振型振动频率1/s 振动周期T 反应谱值

1 3.5138 0.2846 1.456

2 8.07

3 0.1239 2

3 11.118 0.0899 1.899

4 14.3 0.0699 1.699

5 21.77

6 0.0459 1.459

6 24.98 0.04 1.4

7 30.734 0.0325 1.325

8 34.119 0.0293 1.293

9 36.263 0.0276 1.276

10 39.043 0.0256 1.256

11 40.852 0.0245 1.245

12 43.237 0.0231 1.231

13 47.907 0.0209 1.209

14 49.639 0.0201 1.201

15 52.449 0.0191 1.191

16 55.521 0.018 1.18

17 56.661 0.0176 1.176

18 58.613 0.0171 1.171

相应谱分析是在频域内进行的，对于结构动力特性依赖于频率而变化，因此在模态分析后要进行模态合并求解，才能得到坝体结构的真实的总体效应。合并模态求解后，得到坝体在各阶频率的真实位移云图及应力云图，如图6所示。

4总结

以上对坝体进行了静力分析和动力分析，通过对重力坝静力有限元分析，可以知道坝体在静力荷载作用下的位移场和应力场，从而可以了解坝体的安全性能。通过对重力坝抗震性能有限元分析，可以了解大坝在地震荷载作用下的动力响应特性，从而可以评价大坝在地震荷载作用下的安全性能。

（1）静力分析表明，重力坝水平方向最大位移发生在坝顶，变形和强度验算满足工程要求；

（2）动力分析表明，在地震作用下重力坝下游折坡处和100m高程处出现最大压、拉应力，它们有超过混凝土的动抗拉、压强度的趋势，在这些部位应采取一些结构措施或工程加固措施。

参考文献

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[2]罗业辉等.应用ANSYS软件进行碾压混凝土重力坝非线性有限元静力和动力分析[J].红水河，2004，2

[3]DL5108-1999，混凝土重力坝设计规范[S]

[4]王良琛编著，混凝土坝地震动力分析[M].北京：地震出版社.1981，5

[5]李权.ANSYS在土木工程中的应用.人民邮电出版社.2005，3

作者简介：张向东，男，1962年10月3日生。辽宁工程技术大学教授、博士生导师，兼任土木建筑工程学院院长和岩土工程研究所所长，主要从事环境岩土工程和交通土建方面的教学和科研工作。主持或参加科研项目40余项，发表学术论文80余篇，出版教材或专著5部，荣获省科技进步三等奖2项，省教学科研成果一等奖1项，市科技进步一等奖7项。现为辽宁省骨干教师和阜新市"五一"劳动奖章获得者。

通信地址：辽宁省阜新市辽宁工程技术大学土木建筑工程学院

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许中国，男，1983年12月2日生。硕士，研究方向：桥梁与隧道工程。