1、完整版基于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引言工程概况基本资料3.1 反应谱3.2 材料参数3.3 规范要求分析简介4.1 分析模型4.2 边界条件4.3 荷载工况计算成果5.1工况一2.2.4.4.6.6.7.5.2工况二8.5.3工况三1.0.5.4工况四1.1.5.5工况五1.2.5.6工况六1.4.5.7结果总结及分析1.51.7.1.7.结论及建议分析命令流1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
2、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180
3、m，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 n,坝高100m至坝顶 之间使用坝体混凝土I。上游正常蓄水位为 170 m,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:用的SV-FREQ曲线谱值点见表3.1。表3.1 SV-FREQ曲线谱值点序号周期频率谱值
4、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
5、虑基岩密度。表3.2坝体混凝土材料属性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n224002.85E100.167基岩302.9E100.33.3规范要求如未特殊说明，本次分析参照的规范均指混凝土重力坝设计规范NB/T 35026-2014，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:qS Gk ,Qk , fK ,ak C对正常使用极限状态验算时，作用分项系数、材
6、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0.2 MPa 2）承载能力极限状态必要承载能力极限状态，对坝体结构及坝基岩体进行强度和抗滑稳定计算, 时进行抗浮、抗倾验算：抗震设防应满足DL5073的有关规定。S gGk, qQkHk R 处,aKd m结构重要性系数: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:S ? Pr抗滑稳定抗力函数为:R ? fR Wr CrAr式中： f-坝基面上全部切
7、向应力作用之和（KN）；本次分析系数取值:me4）混凝土强度表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，丫轴以铅直向上为正，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。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
8、、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; 静水压力：水容重取 9.81KN/m3;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X荷载 工况自重静水压力扬压力地震荷载备注工况一V库空工况
9、二VVV正常使用极限状态工况三0.9511.1承载能力极限状态工况四模态分析工况五V谱分析工况六0.9511.1V偶然荷载注：表格中“、表示工况内含有该荷载，表中系数表示该荷载的作用分项系数；静水压力、扬压力按坝面分布荷载施加。5计算成果 5.1工况一1）计算结果2）本节小结表5.1位移结果汇总表注：表中数据均指最大值，其中总位移为整体模型的总位移最大值。 X方向 为负值表明坝体倾向上游，丫方向位移为负值时表明坝体沉降，下同。表5.2坝体应力结果汇总表位置 应力坝踵坝趾最大拉应力最大压应力S1( MP a)-0.670.203.27-0.67注：表中数据指该位置处的最大值，下同。库空工况下，坝
10、体重心偏向上游，坝体整体向上游倾斜，由此产生的位移矢量总体趋势是倾向上游，见图 5.1。坝体水平变位从建基面至坝顶，随高程增加而加大，坝顶水平位移最大，其值为 1.54cm（向上游），见图5.2。对同一高程而 言，坝体上游侧垂直变位大于下游侧垂直向变位， 坝顶铅直向变位最大，其值为 2.02cm飢降），坝踵铅直向变位0.86cm（沉降），坝趾铅直向变位0.28cm（沉降）。3.27 MPa。对于坝体而言，其最大主应力为拉应力，坝体最大主应力（图 5.4）随越靠 近两侧坝肩越大，同时，在坝肩附近有应力集中现象，最大拉应力为 5.2工况二1)计算结果2)本节小结表5.3位移结果汇总表表5.4坝体应
11、力结果汇总表位置 应力坝踵坝趾最大拉应力最大压应力S1( MP a)-0.230.172.57-1.03正常使用极限状态下，从图5.5中可以看出，坝体运行期间由于受库水压力+扬压力作用，产生的位移矢量总体趋势是偏向下游，坝体水平向变位倾向下游,垂直沉降变位量值在同一高程下游坝面大于上游坝面 （图5.7）。正常蓄水位工况 坝顶水平向位移为1.13cm （向下游），铅直向变位值为1.06cm （沉降）。由于坝 基扬压力作用，沉降量值较库空工况明显减小。2.57 MPa。坝体最大主应力为拉应力，就同一高程而言，上游侧最大主压应力大于下游 侧（图5.8）。在坝肩靠近上游侧附近有应力集中现象，最大拉应力
12、为5.3工况三2）本节小结表5.5位移结果汇总表表5.6坝体应力结果汇总表应力坝踵坝趾最大拉应力最大压应力S1（ MP a）-0.230.162.54-1.02承载能力极限状态下，坝体整体变位规律和应力分布规律与工况二的正常使用极限状态一致。但该状态重力、静水压力、扬压力分别乘以相应的作用分项系 数后，坝体铅直向沉降量值较正常使用极限状态明显减小。5.4工况四1）计算结果I,-IAM2）本节小结表5.7模态分析前10阶自振频率* INDEX OF DATA SETS ON RESULTS FILE *SETTIME/FREQLOAD STE PSUBSTEPCUMULATIVE13.36441
13、1125.583812235.945113346.125214456.419015568.226916678.331417788.611418899.73991991011.1980110105.5工况五 1）计算结果2）本节小结表5.8位移结果汇总表表5.9坝体应力结果汇总表置应力坝踵坝趾最大拉应力最大压应力S1( MP a)2.291.264.86从图5.19中可以看出，坝体位移矢量总体趋势是偏向下，坝体水平向变位大，其值为2.75cm（向上游），见图5.20。对同一高程而言，坝体上游侧垂直变位大于下游侧垂直向变位，坝顶铅直向变位最大（图5.21)。对于坝体而言，最大主应力为拉应力，在坝肩
14、靠近下游侧附近有应力集中现象最大拉应力为4.86MPa。5.6工况六1）计算结果图5.23整体模型总位移（m）图图5.24坝体UX（ m）图图5.25坝体UY（ m）图图5.26坝体S1（ Pa）图2）本节小结表5.10位移结果汇总表结果X方向位移丫方向位移位置(cm)(cm)坝顶3.90-0.50坝踵0.20-0.05坝趾0.20-0.34总位移(cm)3.93表5.11坝体应力结果汇总表应力坝踵坝趾最大拉应力最大压应力S1（ MP a）1.011.015.72-0.33自重+静水压力+扬压力+地震荷载条件下，坝体位移矢量总体趋势是倾向下游，见图5.23。坝体水平变位从建基面至坝顶，随高程增
15、加而加大，坝顶水平位 移最大，其值为3.90cm(向上游)，见图5.24。对同一高程而言，坝体上游侧垂直 变位小于下游侧垂直向变位，坝体下游坡面中间位置铅直向变位最大。对于坝体而言，其最大主应力为拉应力，在坝肩附近有应力集中现象，最大 拉应力为5.72MPa。5.7结果总结及分析表5.12各工况位移结果一览表工况X方向位移(cm)丫方向位移(cm)总位移(cm)工况一坝顶-1.54-2.022.54坝踵0.04-0.86坝趾0.04-0.28工况二坝顶1.13-1.061.53坝踵0.36-0.28坝趾0.25-0.47工况三坝顶1.19-0.931.50坝踵0.37-0.13坝趾0.25-0
16、.39工况五坝顶2.750.982.92坝踵0.040.14坝趾0.040.05工况六坝顶3.90-0.503.93坝踵0.20-0.05坝趾0.20-0.34表5.13坝体第一主应力S1 （MPa）结果一览表工况.坝踵坝趾最大拉应力最大压应力工况一-0.670.203.27-0.67工况二-0.230.172.57-1.03工况三-0.230.162.54-1.02工况五2.291.264.86工况六1.011.015.72-0.331）坝体变位分析坝体变位规律符合常规，库空条件下，坝体重心偏向上游，坝体整体向上游 倾斜，由此产生的位移矢量总体趋势是倾向上游；正常使用极限状态下，从图 5.5
17、中可以看出，坝体运行期间由于受库水压力+扬压力作用，产生的位移矢量总 体趋势是偏向下游，坝体水平向变位倾向下游，垂直沉降变位量值在同一高程下 游坝面大于上游坝面。2）正常使用极限状态强度分析由图5.5和表5.13可知，坝体坝踵和坝趾处未产生拉应力，符合规范要求,但坝体与两岸连接处坝肩的上游侧附近第一主拉应力达到 2.57MPa1.78MPa,已 超过混凝土的强度标准值，发生破坏，应采取加固措施。3）承载能力极限状态强度分析坝体材料C20,轴心抗压强度fck 13.4mPa，轴心抗拉强度ftk 1.54MPa。静力工况拉应力不符合规范要求。地震工况1.3*1.54TTkm 1*o.8；1；4.5
18、 1-O5MPa 5.72Mpa。即坝体压应力满足强度要求,拉应力不符合规范要求。4）抗滑稳定验算S ? Pr R ? fR W. CrAr使用ANSYS映射面功能（具体操作见命令流）算得：Pr 2.144E10MPa，所以该重力坝满足稳定性要求。6结论及建议措施减小坝顶水平变位，如可以适当增大顶部刚度，减轻重量，提高混凝土标号,必要时可以在上下游面布设钢筋。的施工质量，加强温控措施和养护，尽量减少表面裂缝。并且坝体的两岸坝肩处的拉应力较大，远超出混凝土的强度标准值，应采取加固措施。（3）通过稳定验算可知，该重力坝能够满足抗滑稳定性要求。为进一步提高该重力坝的抗滑稳定性，建议在靠近坝体上游面，
19、采用深孔锚固高强度钢索，并施加预应力，既可增加坝体的抗滑稳定，又可消除坝踵处的拉应力。7分析命令流本次分析以APDL语言为主，GUI操作为辅，主要的操作均编写成命令流形式（见下），但其运行时需注意其个别参数的调整（如作用分项系数），荷载工况组合主要以GUI操作为主，故此处未附该操作的命令流。FINISH$/CLEARW 6.089E10MPa （方向向下），根据 3.3 节的系数/FILNAME,Gravity dam$/PREP7 !一.静力分析ET,1,SOLID65$ET,2,SOLID45$ET,3,MESH200$KEYOPT,3,1,6 !静力分析材料属性MP,DENS,1,240
20、0$MP,EX,1,2.6E10$MP,PRXY,1,0.167MP,DENS,2,2400$MP,EX,2,2.85E10$MP,PRXY,2,0.167MP,DENS,3,0$MP,EX,3,2.9E10$MP,PRXY,3,0.3 !重力坝建模K,1$K,2,139.5$K,3,0,162$K,4,18,162$K,5,18,180$K,6,0,180$K,7,-270,-360K,8,0,-360$K,9,-270,$K,10,139.5,-360$K,11,409.5,-360$K,12,409.5$K,13,409.5,180K,14,-270,180A,3,4,5,6$A,1,2
21、,4,3$A,1,3,6,14,9$A,2,12,13,5,4$A,1,9,7,8$A,1,2,10,8$A,2,12,11,10LSEL,S,2,4,2$CM,LN4,LINE$ALLSEL$LESIZE,LN4,4LSEL,S,1,5,2$LSEL,A,18$CM,LN5,LINE$ALLSEL$LESIZE,LN5,5LSEL,S,6,7$CM,LN18,LINE$ALLSEL$LESIZE,LN18,18LSEL,S,9,12,3$CM,LN22,LINE$ALLSEL$LESIZE,LN22,22LESIZE,8,10,2$LESIZE,13,10,0.5$LESIZE,10,10,
22、0.5$LESIZE,11,10,2LESIZE,14,10,2$LESIZE,16,10,0.5$LESIZE,17,10,2$LESIZE,19,10,2LESIZE,15,10,0.5$LESIZE,20,10,0.5LCCAT,2,6$LCCAT,4,7AATT,3$MSHKEY,1$AMESH,ALL$LDELE,21,22 $EPLOTTYPE,1$EXTOPT,ACLEAR,1$EXTOPT,ESIZE,8$EXTOPT,ATTR,0MAT,1$ESYS,0$VEXT,1,2,180*0.75TYPE,2$EXTOPT,ACLEAR,1$EXTOPT,ESIZE,8$EXTOPT
23、,ATTR,0MAT,3$ESYS,0$VEXT,5,7,1,180*0.75TYPE,2$EXTOPT,ACLEAR,1$EXTOPT,ESIZE,8$EXTOPT,ATTR,0MAT,3$ESYS,0$VEXT,1,7,1,-180WPOFFS,180*0.75$CSYS,4$VSYMM,Z,ALL$WPCSYS,-1$CSYS,0NUMMRG,ALL$NUMCMP,ALL!更改材料属性ESEL,S,TYPE,1$NSLE,R,ALL$NSEL,R,LOC,Y,0,100$ESLN,S,ALLEMODIF,ALL,MAT,2$ALLSEL$EPLOTWPCSYS,-1$WPSTYLE,0$
24、EPLOT !施加约束NSEL,S,LOC,Y,-360!底部全约束的点CM,Y1,NODE$ALLSELNSEL,A,LOC,X,-270$CM,X2,NODE$ALLSELNSEL,A,LOC,Z,-180$CM,Z3,NODE$ALLSELD,Y1,ALL$D,X2,UX$D,Z3,UZ!施加荷载/PSF,PRES,NORM,2ESEL,S,MAT,1,2$NSLE,S,ALL$NSEL,R,LOC,X,0$NSEL,R,LOC,Y,0,170CM,SHUI,NODE$SF,SHUI,PRES,0$ALLSELSFGRAD,PRES,X,139.5,-1.1*9.81*1000*170/
25、139.5 ! 施加扬压力ESEL,S,MAT,1,2$NSLE,S,ALL$NSEL,R,LOC,Y,0$CM,YANG,NODESF,YANG,PRES,0$ALLSEL$SFGRAD,STAT/POST1 !面操作 ,抗滑计算求总应力ESEL,S,TYPE,1$NSLE,S,ALL$WPOFFS,0.0001$WPROTA,90SUCR,PLANE1,CPLANE,1$SUMAP,MSY,S,YSUMAP,MSXY,S,XYSUPL,PLANE1!图形显示面本身SUEVAL,SY,MSY,INTGSUEVAL,SXY,MSXY,INTG$ALLSEL$WPCSYS,-1$WPSTYLE,
26、01.5倍!二.模态分析 !单元、建模、同静力分析，弹性模量是静力分析弹模的 !动力分析材料属性 /PREP7MP,EX,1,1.5*2.6E10$MP,EX,2,1.5*2.85E10$MP,EX,3,1.5*2.9E10 !施加约束同静力分析 /SOLU$ANTYPE,2$MODOPT,LANB,20$MXPAND,20,1SOLVE$FINISH /POST1$SET,LIST!三.反应谱分析!动力分析材料属性 /PREP7MP,EX,1,1.5*2.6E10$MP,EX,2,1.5*2.85E10$MP,EX,3,1.5*2.9E10 !施加约束同静力分析FINISH !2.获得模态解
27、 /SOLUANTYPE,MODALMODOPT,LANB,20SOLVEFINISH !3.获得谱解/SOLU$ANTYPE,SPECTR!定义谱分析类型SPOPT,SPRS,20,YES!定义谱分析方法、模态数、求应力DMPRAT,0.1SED,1!定义常阻尼比 ! 定义激励方向为 X 方向FREQ,0.333333333,0.5,0.625,0.714285714,0.833333333,1,1.25,1.666666667,2.5FREQ,3.333333333,10,100,1E5SV,0.1,0.502377286,0.6407443,0.732539013,0.793644347,0.870550563,0.97118675, 1.110321517,1.319507911,1.682932718SV,0.1,2,2,1.1,1SOLVEFINISH !4.模态扩展 /SOLUANTYPE,MODALEXPASS,ONMXPAND,20,YESSOLVEFINISH !5.模态合并 /SOLU
