基于ANSYS的重力坝三维静动态结构分析

基于ANSYS的重力坝三维静动态结构分析目录1引言............................................................................................................................12工程概况....................................................................................................................13基本资料....................................................................................................................13.1反应谱.............................................................................................................13.2材料参数.........................................................................................................23.3规范要求.........................................................................................................24分析简介....................................................................................................................44.1分析模型.........................................................................................................44.2边界条件.........................................................................................................64.3荷载工况.........................................................................................................65计算成果....................................................................................................................75.1工况一.............................................................................................................75.2工况二.............................................................................................................85.3工况三...........................................................................................................105.4工况四...........................................................................................................115.5工况五...........................................................................................................125.6工况六...........................................................................................................145.7结果总结及分析...........................................................................................156结论及建议..............................................................................................................177分析命令流..............................................................................................................1711引言重力坝是我国高坝中的主要坝型，在防洪、发电、灌溉、城镇供水、航运、养殖和旅游等方面发挥了巨大的作用，取得了显著的经济效益和社会效益。众所周知，重力坝主要依靠其自身的重力来维持稳定，其坝体体积大，稳定性好。但由于各种原因，仍有可能失事。因此，重力坝的应力应变状态和坝基稳定性一直都是设计和施工十分重视的问题。此外，大坝多建于地震频发的地区，因而对重力坝进行地震荷载作用下的安全评估也十分必要。本次作业采用有限元方法，运用大型通用有限元分析软件ANSYS，对简化的三维重力坝的线弹性模型在静动力工况下进行有限元计算，并对结果加以分析，最后给出安全评价结论及建议。2工程概况某水电站是以发电为主，兼有防洪，航运等综合效益的水电枢纽工程。该工程枢纽总体布置采用砼重力坝挡水，大坝基本坝剖面为上游坝坡铅直，下游坝坡为1:0.75。坝顶总长270m，坝高180m，坝顶宽18m，坝底宽139.5m，正常蓄水位170m。重力坝坝低至坝高100m之间使用坝体混凝土Ⅱ，坝高100m至坝顶之间使用坝体混凝土Ⅰ。上游正常蓄水位为170m，下游无水。3基本资料3.1反应谱谱分析是一种将模态分析的结果与一个已知的谱联系起来计算结构的位移和应力的分析技术。在土木工程动力响应分析中，谱分析代替时间-历程分析，特别是抗震分析，主要用来确定结构对随机荷载或随时间变化荷载的动力响应。图3.1大坝设计反应谱2根据如图3.1所示的大坝设计的反应谱曲线图，可得大坝反应谱曲线方程：max0.60max110.....................00.1..........................0.1*()..............，，，ggTTTTTTTT本次重力坝抗震性能分析中，max取值为2，gT取值为0.3。本次谱分析采用的SV-FREQ曲线谱值点见表3.1。表3.1SV-FREQ曲线谱值点序号周期频率谱值101e5120.011001.130.110240.33.33333333250.42.51.6829327260.61.666666671.3195079170.81.251.110321528110.9711867591.20.833333330.87055056101.40.714285710.79364435111.60.6250.732539011220.50.64074431330.333333330.502377293.2材料参数该重力坝坝体采用两种混凝土材料，具体材料参数见表3.2。其中混凝土动力分析弹性模量是静力分析弹性模量的1.5倍。计算时考虑为完全沉降后作用，故不考虑基岩密度。表3.2坝体混凝土材料属性参数混凝土材料编号密度（kg/m3）弹性模量（Pa）泊松比坝体混凝土Ⅰ124002.6E100.167坝体混凝土Ⅱ224002.85E100.167基岩302.9E100.33.3规范要求3如未特殊说明，本次分析参照的规范均指《混凝土重力坝设计规范》NB/T35026-2014，以下为本次分析需用到的部分重要章节。1）正常使用极限状态按材料力学方法进行坝体上、下游面混凝土拉应力验算；必要时进行坝体及结构变形计算、复杂地基局部渗透稳定验算。正常使用极限状态作用效应采用下列设计表达式：,,,0KKKkSGQfaC对正常使用极限状态验算时，作用分项系数、材料性能分项系数都取1.0，结构重要性系数不变。该规范提出了重力坝对正常使用极限状态的要求，规定坝踵及坝体上游面不产生垂直拉应力，施工期坝趾处垂直正应力可容许有不大于0.1MPa的拉应力，下游坝面主拉应力不大于0.2MPa2）承载能力极限状态承载能力极限状态，对坝体结构及坝基岩体进行强度和抗滑稳定计算，必要时进行抗浮、抗倾验算:抗震设防应满足DL5073的有关规定。,,,01KGKQKKKdmfSGQaRa作用分项系数：0.95G1Q1.1u结构重要性系数：01设计状况系数：10.85（地震）结构系数：1.8d1.5（地震）材料性能分项系数：1.5m3）抗滑稳定验算坝体混凝土与基岩接触面的抗滑稳定极限状态。作用效应函数为：RSP抗滑稳定抗力函数为：4RRRRRfWCA式中：RP----坝基面上全部切向应力作用之和（KN）；Rf-------坝基面抗剪断摩擦系数；RC------坝基面抗剪断凝聚力(KPa)。本次分析系数取值：RkRmfff1.7mf1.1RkfRkRmcCC2.0mc1.05RkCMPa4）混凝土强度本次分析的大坝坝体上部混凝土为C20，坝体下部为C25混凝土。用于混凝土重力坝承载能力极限状态计算的坝体混凝土强度标准值按表3.3取用。表3.3大坝混凝土强度标准值4分析简介4.1分析模型坐标系定义为：X轴以水平向下游为正，Y轴以铅直向上为正，原点取在坝踵处，有限元计算范围：上游取1.5倍坝高，即上游长度为270m，下游取1.5倍坝高，即下游长度为坝轴线向下270m，铅直取2倍坝高，即向下取360m基岩深度。5图4.1重力坝分析模型剖面图图4.2重力坝整体有限元模型6图4.3基岩有限元模型图4.4坝体有限元模型图4.5上部坝体有限元模型图4.6下部坝体有限元模型表4.1有限元模型具体数据参数重力坝单元数节点数材料编号单元类型模型整体18560217141、2、3Solid45、Solid65坝基16800197343Solid45坝体176023461、2Solid65坝体上部88012241坝体下部880122424.2边界条件基岩底部采用全约束，上下游坝基采用法向约束，即将X方向的两个侧面的X向位移进行约束，坝基两侧采用法向约束，即将Z方向的两个侧面的Z向位移进行约束，上部边界为自由边界，假设坝体与坝基固结。4.3荷载工况(1)自重：混凝土材料参数见3.2节；7(2)静水压力：水容重取9.81KN/m3；(3)扬压力：扬压力计算简化坝踵处为无排水孔。(4)地震作用：反应谱见3.1节。根据荷载的不同分为六种工况，工况一~工况三为静力分析，工况四~工况六为动力分析。表4.2分析工况一览表荷载工况自重静水压力扬压力地震荷载备注工况一√库空工况二√√√正常使用极限状态工况三0.9511