(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目录1 引言..................................................................... 1..2 工程概况................................................................. 1...3 基本资料................................................................. 1...3.1 反应谱............................................................ 1...3.2 材料参数.......................................................... 2...3.3 规范要求.......................................................... 2...4 分析简介................................................................. 4...4.1 分析模型.......................................................... 4...4.2 边界条件.......................................................... 6...4.3 荷载工况.......................................................... 6...5 计算成果................................................................. 7...5.1 工况一............................................................. 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..56 结论及建议1..7.7 分析命令流1..7.1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U,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:1 10T, ..................... 0 T 0.10.1 T T g本次重力坝抗震性能分析中，max取值为2，T g 取值为0.3。

本次谱分析采用的SV-FREQ 曲线谱值点见表3.1。

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。

规范要求maxmaxT 0 \0.6 (T )， ........... T g T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：oS G K ,Q K , f K , a k C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 O.IMPa 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。

结构重要性系数：0 1 设计状况系数： 10.85 （地震） 结构系数：d 1.81.5 （地震）材料性能分项系数：m 1.53）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 ?P R抗滑稳定抗力函数为:作用分项系数:S G GK ,Q Q K, a K 0.95 Q 1 u1.1-,a KmR ? f R W R C R A R式中：f----坝基面上全部切向应力作用之和（KN）；f R ----------- 坝基面抗剪断摩擦系数;C R--- 坝基面抗剪断凝聚力（KPa）。

本次分析系数取值：fRmfC C RkC Rmc mf1.7 f Rk 1.11.05MPa mc2.0C RR4）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i d为丸加因粧土垃计割期"枭Ml艰班】盹L 2本逸用大坝常蛊程裸土却大坝砺压混凝土a 3犬圳观5H.国1霉级卯际iVI可向描植用.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；(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。

表分析工况一览表注：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)计算结果图5.1整体模型总位移(m)图图5.2坝体UX (m)图图5.3坝体UY （m）图图5.4坝体S1 （Pa）图2）本节小结表位移结果汇总表注：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库空工况下，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，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）。

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 3.27MPa。

5.2工况二1)计算结果图5.5整体模型总位移(m)图图5.6坝体UX ( m)图图5.7坝体UY (m)图图5.8坝体S1 (Pa)图2)本节小结表5.3位移结果汇总表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。

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，最大拉应力为 2.57MPa 。

5.3工况三 1）计算结果2）本节小结结果X 方向位移 丫方向位移总位移位置(cm) (cm)(cm)坝顶 1.19 -0.93坝踵0.37-0.131.50坝趾0.25 -0.39諾：罷总jdiL* 与I | ' i - L.li .图5.9整体模型总位移（m ）图 图5.10坝体UX （ m ）图图5.11坝体UY （ m ）图图5.12坝体S1（ Pa ）图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）计算结果图5.13坝体第一阶振型图5.14坝体第二阶振型图5.15坝体第三阶振型图5.16坝体第四阶振型图5.17坝体第五阶振型图5.18坝体第六阶振型2）本节小结表模态分析前阶自振频率5.5工况五1）计算结果图5.19整体模型总位移(m)图图5.20坝体UX (m)图图5.21坝体UY (m)图图5.22坝体S1 (Pa)图2) 本节小结表5.8位移结果汇总表从图5.19中可以看出，坝体位移矢量总体趋势是偏向下，坝体水平向变位倾向下游，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2.75cm(向上游)，见图5.20。