基于ANSYS的重力坝抗震性能分析

基于ANSYS的重力坝抗震性能分析【摘要】建立一个120m重力坝模型，利用ANSYS分析软件，分析此重力坝挡水坝段在静，动力作用下应力变化规律，并对坝体的抗震安全性能进行评估，为类似工程设计、施工提供理论依据。【关键词】重力坝；ANSYS；反应谱；地震重力坝是世界上最早出现的一种坝型之一。依据其相对安全可靠，耐久性好，对不同的地形和地质条件适应性强等特点，重力坝在各个国家都很流行。由于重力坝大多都建在高烈度或地震多发地区，一旦失事，损失不可估量，因此在大坝时对其进行抗震安全分析十分必要。ANALYSISOFSEISMICPERFORMANCEOFGRAVITYDAMBASEDONANSYS【Abstract】Establisha120mgravitydammodelandusingANSYSanalysissoftware,analysisofthegravitydamretainingdaminstaticanddynamiceffectofthestresschangerules,andonthedamseismicsafetyperformanceassessment,toprovideatheoreticalbasisforthedesignandconstructionofsimilarprojects.【Keywords】gravitydam;Ansys;responsespectrum;earthquake1有限元模型1.1计算基本假定（1）假定库水为不可压缩流体，库水对坝体的动力相互作用以坝面附加质量的形式计入；（2）坝体材料假定为线弹性,并假定不同部位材料有不同的弹性常数；（3）采用无质量地基方案，近似考虑坝体结构和地基间的动力相互作用；（4）地基为均匀弹性体，并于坝体紧密联系在一起。1.2有限元模型设计某重力坝，坝高120m，坝底宽为76m，坝顶宽为10m，上游坝面坡度和下游坝面坡度如图1所示。因为设计此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，且大坝的纵向长度远远大于其横断面，因此大坝的抗震性能分析选用单位断面进行平面应变分析是可行的。图1重力坝断面结构图大坝抗震性能分析的计算条件如下:(1)重力坝基础按嵌入到基岩中考虑,假定地基为刚性。(2)重力坝计算采用材料参数如下: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)水的密度为1000Kg/m³。(5)重力坝抗震设防地震烈度为8度,水平方向地震加速度值为0.2g。2有限元计算2.1计算方法分析大坝的抗震性能分析主要有三种方法:拟静力法、时程分析法和反应谱方法。拟静力法是一种把地震的影响用一种折算的静荷载来表示，求出这种地震荷载后，按照常规的静力法进行坝体的各项应力、位移的抗震分析方法。它是假定地震时与地面加速度相同的加速度作用在坝体各部位，求出地震时的惯性力，然后根据惯性力来评价大坝的安全性。时程分析法是将地震动记录或人工波作用在结构上，直接对结构运动方程进行积分，求得结构任意时刻地震反应的分析方法，所以动态时程分析方法也称为直接积分法。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。反应谱是单质点弹性体系对于实际地面运动的最大反应和体系自振周期的函数关系。对于复杂的结构可以简化为若干振型的叠加，每个振型又可转化为一个单质点来考虑。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，就归结于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最大振动的持续时间都有关系。在进行反应谱分析计算之前，首先要计算大坝的自振特性。模态分析是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。hHahPwh0w87)(（1）根据图2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：TTTTTTTTgg.............)(1.0..........................1.00).......1(101max9.00maxmax（2）图2大坝设计反应谱曲线图本次重力坝抗震性能分析中，max取值为2，gT取值为0.2，特征周期0T取值为0.2S。2.2静力分析该重力坝静力分析应力应变云图见图3。由图3可知，在水荷载的作用下，坝体水平方向最大位移发生在坝顶，其值为12.402mm；坝体垂直方向最大位移发生在坝腹出，其值为0.439mm。（a）坝体X方向位移云图（b）坝体Y方向位移云图（c）X方向应力云图（d）Y方向应力云图（e）第一主应力云图图3大坝静力分析应力应变云图2.3动力分析绘制坝体振型图，如图4所示。（a）第1振型（b）第3振型（c）第5振型（d）第7振型（e）第9振型（f）第11振型（g）第15振型（h）第17振型图4坝体振型图调出模态分析各阶频率，并由式（2）求出反应谱值，如表1所列。表1大坝动力计算18阶振动频率及反应谱值Hz振型振动频率1/s振动周期T反应谱值13.45310.28961.43327.99840.12502310.8890.09181.918414.2030.07041.704521.6460.04621.462624.4880.04081.408730.5860.03271.327833.8630.02951.295935.5990.02811.2811038.8010.02581.2581140.3350.02481.2481242.5310.02351.2351347.7510.02091.2091449.1940.02031.2031552.1220.01921.1921655.1610.01811.1811755.5050.01801.1801858.0950.01721.172因为响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的变化而变化，因此在模态分析后要进行模态合并求解，才能得到坝体结构真实的总体效应。合并模态后，得到坝体在各阶频率的真实位移云图和应力云图，如图5所示。（a）（b）（c）（d）（e）（f）（g）（h）图5坝体位移、应力云图（a）第2阶X方向位移云图（b）第2阶Y方向位移云图（c）第7阶X方向位移云图（d）第7阶Y方向位移云图（e）第2阶X方向应力云图（f）第2阶Y方向应力云图（g）第7阶X方向应力云图（h）第7阶Y方向应力云图进行模态求解时并没有同时进行模态扩展，而是在获得谱解后又单独进行了扩展模态求解。这样，有明显意义的模态为1、2、3、4、5和7阶模态。图5仅提供了2、7阶位移、应力云图。由图4、图5可以看出，在地震作用下，坝顶出现水平向最大位移，最大位移为1.394mm，主要由第2振型的贡献产生。大坝第7阶X方向最大应力出现在下游约80m处，最大应力值为0.369Mpa，Y方向的最大应力出现在上游约100m处，最大应力值为1.93Mpa。总之，重力坝地震反应谱分析获得的各阶振型的最大、最小的应力和位移值的具体位置，可以通过ANSYS查询到，出现应力集中或超出规范规定的部位，在设计和施工时应给予足够的重视。3结论通过对该重力坝的静、动力有限元分析，可以了解到大坝在静力作用下的应力分布情况和大坝在地震荷载作用下的动力响应特征，从而评价大坝在静、动力荷载作用下的安全性能。静力分析表明：重力坝水平方向的最大位移出现在坝顶，在设计中强度验算应满足相关规范要求；动力分析表明：在地震作用下重力坝下游折坡处和80m高程处出现最大应力，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[1]隋红军,上官子昌.基于ANSYS重力坝抗震性能分析[J].建筑技术开发,2015,06:63-66.[2]赵廷红,王新峰,梁俊国,梁俊青.基于Ansys的龙滩碾压混凝土重力坝抗震动力分析[J].甘肃科学学报,2013,03:84-87.[3]李守华.重力坝抗震性能的有限元分析[J].城市道桥与防洪.2012(12)