基于ANSYS的碾压混凝土拱坝抗震分析
基于ANSYS的拱坝模态分析 (1)
第29卷第9期2011年9月河南科学HENAN SCIENCEVol.29No.9Sep.2011收稿日期：2011-06-08作者简介：冯涛（１９７１－），男，河南驻马店人，高级工程师，从事水利水电工程设计.文章编号：1004-3918（2011）09-1081-04基于ＡＮＳＹＳ的拱坝模态分析冯涛，李庆亮，孙大为（河南省水利勘测设计研究有限公司，郑州４５００１６）摘要：建立了长岭水库拱坝有限元模型，并根据Ｗｅｓｔｅｒｇａａｒｄ公式编制程序在迎水面面板上施加流固耦合引起的“附加质量”.在模态分析中，计算了拱坝加固前后的自振频率，讨论了“附加质量”对拱坝自振特性的影响，为拱坝除险加固设计提供了参考依据.计算结果表明，结构加固后，显著提高了拱坝的抗震性能.关键词：拱坝；附加质量；结构加固；模态分析中图分类号：TV 314文献标识码：A模态分析用于确定所设计的机构的动力特性，包括结构的固有频率和振型，它们是结构动力设计计算的重要参数.同时，模态分析也是进行谱分析、谐响应分析或瞬态动力学分析所必需分析的前期过程.１模态分析的数值模拟拱坝本身是具有无限自由度的空间结构体系，由拱坝和基础构成，有限元理论就是将结构离散成一个具有有限自由度的空间结构系统的一种近似数值算法，这样坝体就具有了有限个固有频率和振幅.当系统受到激振力作用时，其振动响应为各阶主振型的叠加.当激振力的频率与系统的某一阶固有频率相同或相近时，系统就会发生共振，这时系统的振动响应就是这阶固有频率的主振型，其它振型的贡献可忽略不计.不考虑阻尼和外力，ｎ个自由度系统振动微分方程为［M ］｛y 咬｝+［K ］｛y ｝=0，（１）式中：［M ］为质量矩阵；［K ］为刚度矩阵；｛y ｝为位移列向量；｛y 咬｝为加速度列向量.根据微分方程组和模态分析理论，则ｎ个主振型为：｛y ｝=｛Y ｝sin （棕t+琢），假设其中位移幅值向量｛Y ｝T=［Y 1，Y 2，…，Y n ］，得振幅方程：｛［K ］-棕%2［M ］｝｛Y ｝=｛0｝.求出ｎ个主振型为：｛Y %（1）｝，｛Y %（2）｝，…，｛Y %（n）｝.记M k =｛Y %（k ）｝T ［M ］｛Y %（k ）｝，K k =｛Y %（k ）｝T［K ］｛Y %（k）｝，其中：M k 、K k 称为第ｋ个主振型的广义质量、广义刚度.以｛Y %（k）｝T前乘以振幅方程，可得频率公式：棕k =K kM k姨.当研究拱坝流固耦合的自振特性时，忽略阻尼作用，其结构的自由振动方程最后简化为：｛［M ］+［M f ］｝｛y 咬｝+［K ］｛y ｝=0，（２）式中：［M ］、［M f ］、［K ］分别为结构的质量矩阵、附加质量矩阵和刚度矩阵[1].２Ｗｅｓｔｅｒｇａａｒｄ附加质量模型假定水体为不可压缩性液体，这时水流的动力作用就相当于在坝体的质量矩阵上加一个附加质量矩阵.Ｗｅｓｔｅｒｇａａｒｄ附加质量模型就是一种考虑水体对结构作用的动力分析计算方法.根据实际的动水压力在坝踵产生的弯矩与模拟的动水压力图形在坝踵产生的弯矩相等的条件，Ｗｅｓｔｅｒｇａａｒｄ提出坝面的动水压力沿水第29卷第9期河南科学深方向呈抛物线形式分布，导出了Ｗｅｓｔｅｒｇａａｒｄ附加质量计算模型：M 棕（h ）=78籽拽０h 姨，式中：M 棕（h ）表示水深ｈ处的库水附加质量；籽为水体密度；拽０为库水深度；ｈ为计算点的水深[2鄄4].本文编制了相应的程序，采用质量单元模拟库水附加质量作用，施加到相应的单元上，并将其组合到拱坝的质量矩阵［M ］中.３工程分析３．１工程概况长岭水库大坝为浆砌条石重力拱坝，包括左侧挡水坝段和右侧溢流坝段.其中右侧溢流坝段顶高程为２７５．０ｍ，坝顶长１０８．３ｍ，宽３．１ｍ，最大坝高３７ｍ，上下游坡比分别为１∶０．０１３和１∶０．３，河床以下为垂直矩形，１４．０ｍ宽；左侧挡水坝顶高程２７９．６ｍ，坝顶长８０．４ｍ，宽３．７ｍ，最大坝高２７．６ｍ，上下游坡比分别为１∶０．０１３和１∶０．５，上部设置１ｍ高的防浪墙.水库坝体单薄，坝顶存在裂缝，多年来带病运行，急需进行除险加固.设计方案为在坝体上下游面增加钢筋混凝土面板衬砌，加大坝体横断面，上游采用Ｃ２５钢筋混凝土，下游采用Ｃ３０钢筋混凝土结构.上游面板顶部高程２７５．０ｍ处面板厚０．５ｍ，向下２５１．０ｍ高程处增厚至２．０ｍ，最底部高程２３８．０ｍ处厚度为６．５ｍ，中间采用直线连接；下游衬砌板厚度均为０．５ｍ.３．２计算模型１）假定混凝土、基础岩石体均为各向同性线弹性材料.２）有限元计算模型选取拱坝坝体和一定范围的坝基作为计算域.坝基的计算范围为坝体上、下游，左、右岸和深度方向各向外延伸１．５倍坝高.网格划分时，坝体采用精度表较高的空间８节点六面体单元，地基采用空间四面体单元.加固前模型节点总数１９７１５，单元总数５６５７３.加固后模型节点总数２９４６３，单元总数９０１６２，加固前、后的有限元模型见图１和图２.３）边界条件：基础底面施加三向约束；坝基上、下游和左、右侧边界面均施加相应法向链杆约束[5].３．３工况组合与计算荷载工况１：空库；工况２：正常蓄水位；计算模型加上迎水面Ｗｅｓｔｅｒｇａａｒｄ附加质量，正常蓄水位２７５ｍ，相应下游水位０ｍ.其中：１）水容重γ水＝１０ｋＮ/ｍ3.２）坝体弹性模量E m 石＝４．９２×１０３ＭＰａ，泊松比μ石＝０．２７，容重γ石＝２３ｋＮ/ｍ3；地基弹性模量E m 基＝３７．７×１０３ＭＰａ，泊松比μ基＝０．３.３）上游面板Ｃ２０混凝土，弹模E mc 20＝２８×１０３ＭＰａ，泊松比μc 20＝０．１６７，容重γc 20＝２４ｋＮ/ｍ3.图１加固前有限元模型Ｆｉｇ．１Ｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｂｅｆｏｒｅｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ图２加固后有限元模型Ｆｉｇ．２Ｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌａｆｔｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ%%%%%%%%1082--2011年9月冯涛等：基于ＡＮＳＹＳ的拱坝模态分析%%４）下游面板Ｃ３０混凝土，弹模E mc 30＝30×１０３ＭＰａ，泊松比μc 30＝０．１６７，容重γc 30＝２４ｋＮ/ｍ3.３．４计算结果与分析模态分析研究了上述两个工况下加固前后坝体结构的自振特征，由于高阶振型主要表现为结构局部的振动，且远离当地特征频率，对结构的整体安全威胁不大.为了重点研究低阶频率对结构的整体振动的影响，本文提取出了坝体的前十五阶频率进行对比分析，表１给出了两工况下坝体加固前后自由振动的前十五阶频率和周期值.图３为有水情况下加固前后的频率对比图，重点讨论动水压力对坝体振动特性的影响.表１加固前后坝体频率、周期表Ｔａｂ．１Ｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃies ａｎｄｐｅｒｉｏｄs ｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ图３工况２加固前后坝体频率图Ｆｉｇ．３Ｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃies ｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔin ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ２有水工况与无水工况相比，由于坝体受动水压力附加质量增加的影响，导致结构的自振频率变小，振动周期变大.加固前频率的降幅为８．１７％～１２．２１％，一阶频率由３．８０７８Ｈｚ下降为３．４９６７Ｈｚ；加固后的降幅为２．２７％～７．４３％，一阶频率由６．９１８０Ｈｚ下降为６．７６０９Ｈｚ.加固以后坝体的整体刚度矩阵变大，附加质量所起的作用减弱.工况二情况下加固前坝体自由振动的第一阶周期为０．２８６０ｓ，小于特征周期０．３５ｓ.加固后坝体的自由振动第一阶周期为０．１４７９ｓ，自振周期进一步变小，频率变大.根据广义刚度和广义质量求频率的公式可知，结构加固后坝体的刚度显著增大.结构加固后周期值与特征周期的差值进一步扩大，对结构的抗震更为有利.４结论由于流固耦合效应的影响，有水的情况比无水的情况下结构的自振频率降低，对于长岭水库来说最大降阶次工况１工况２加固前加固后加固前加固后频率/Ｈｚ周期/ｓ频率/Ｈｚ周期/ｓ频率/Ｈｚ周期/ｓ频率/Ｈｚ周期/ｓ１３．８０７８０．２６２６６．９１８００．１４４６３．４９６７０．２８６０６．７６０９０．１４７９２４．７０４２０．２１２６８．３７４４０．１１９４４．３１２８０．２３１９８．１４３７０．１２２８３５．９６９５０．１６７５９．６３６００．１０３８５．４６８９０．１８２９９．４１０５０．１０６３４６．７９３６０．１４７２１１．３９３００．０８７８６．３１８７０．１５８３１１．１１６００．０９００５８．１１７８０．１２３２１３．２５９００．０７５４７．４６１３０．１３４０１２．５６０００．０７９６６９．５２３００．１０５０１４．４８３００．０６９０８．８１６８０．１１３４１２．９９５００．０７７０７１０．０７０００．０９９３１５．１７５００．０６５９８．９８２４０．１１１３１４．２１２００．０７０４８１０．５４８００．０９４８１５．６３４００．０６４０９．７３１６０．１０２８１４．６９３００．０６８１９１０．７６６００．０９２９１７．２３１００．０５８０９．９４５００．１００６１５．２５３００．０６５６１０１１．９７７００．０８３５１７．４３１００．０５７４１０．１１１００．０９８９１５．６９８００．０６３７１１１２．４４７００．０８０３１８．３７４００．０５４４１０．８４９００．０９２２１６．７５７００．０５９７１２１３．３１６００．０７５１１９．１３４００．０５２３１１．４４８００．０８７４１７．１６１００．０５８３１３１３．６２９００．０７３４１９．２５６００．０５１９１１．４５５００．０８７３１８．２４８００．０５４８１４１４．０５８００．０７１１２０．４１７００．０４９０１２．０８０００．０８２８１８．７４５００．０５３３１５１４．４９８００．０６９０２０．９０１００．０４７８１２．７２７００．０７８６１９．３４９００．０５１７%%%%%%加固前加固后2520151050频率/H z%123456789101112131415阶次1083--第29卷第9期河南科学幅为１２．２１％，周期变长，所以结构的抗震性能是不能不考虑的重要因素；坝体越单薄，流固耦合效应越明显，对结构抗震不利.加固后坝体的频率显著比加固前增大，根据广义刚度和广义质量求频率的公式，说明坝体的刚度明显增大，抗震性能增强，加固方案是可行的.参考文献：［１］王均星，焦修明，陈炜．龙滩工程底孔弧形闸门的自振特性［Ｊ］．武汉大学学报：工学版，２００８，４１（５）：３１－３４.［２］党国强．拱坝－库水－地基系统地震反应分析研究［Ｄ］．西安：西安理工大学，２００８.［３］汪军，赵金广．大型结构有限元仿真建模及模态分析探究［Ｊ］．山西建筑，２０１０，３６（４）：８０-８１.［４］杨吉新，张可．基于ＡＮＳＹＳ的流固耦合动力分析方法［Ｊ］．船海工程，２００８，３７（６）：８６－８９.［５］孙林松，朱瑞晨．白鹤滩拱坝三维有限元分析［Ｊ］．水电能源科学，２００５，２３（６）：３９－４１．ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＡＮＳＹＳｔｏＭｏｄａｌＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＡｒｃｈＤａｍＦeng Ｔａｏ，Ｌi Ｑｉｎｇｌｉa ｎｇ，Ｓun Ｄａｗｅｉ（ＨｅｎａｎＷａｔｅｒａｎｄＰｏｗｅｒＣｏｎｓｕｌｔｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏ．，Ｌｔｄ.，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ４５００１６，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｆｒｅｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＣｈａｎｇｌｉｎｇａｒｃｈｄａｍare ｓｔｕｄｉｅｄｂｙｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓ．ＡｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏＷｅｓｔｅｒｇａａｒｄｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎｓ，ｔｈｅａｄｄｉｔｉｏｎａｌｍａｓｓｄｕｅｔｏｆｌｕｉｄ－ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃｏｕｐｌｉｎｇｍｏｔｉｏｎｉｓｔａｋｅｎｉｎｔｏａｃｃｏｕｎｔ．ＴｈｅｆｒｅｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓｏｆｔｈｅＣｈａｎｇｌｉｎｇａｒｃｈｄａｍｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔａｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓｏｆａｄｄｉｔｉｏｎａｌｍａｓｓｏｎｔｈｅａｒｃｈｄａｍａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄｓｏａｓｔｏｐｒｏｖｉｄｅｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃｂａｓｉｓｆｏｒｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅａｒｃｈｄａｍ．Ｔｈｅｓｔｕｄｙｓｈｏｗｓｔｈａｔａｆｔｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ，ｉｔｉｓｉｍｐｒｏｖｅｄｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｏｆａｒｃｈｄａｍanti-ｓｅｉｓｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ.Ｋｅｙw ｏｒｄｓ：ａｒｃｈｄａｍ；ａｄｄｉｔｉｏｎａｌｍａｓs ；ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ；ｍｏｄａｌａｎａｌｙｓｉｓ1084--。
基于Ansys的龙滩碾压混凝土重力坝抗震动力分析
３ ． Ｈｅ ｎ ａ ｎ Ｚｈ ｏ ｎ ｇ ｆｕ Ｉ ｎ ｄ ｕ ｓ ｔ ｒ ｉ ａ ｌ Ｃ ｏ ． Ｌｔ ｄ， Ｚ ｈ ｅ ｎ ｇ ｚ ｈ ｏ ｕ ４ ５ １ ２ ０ ０， Ｃｈ ｉ ｎ ａ ）
依 据．
关键 词 ： 重 力坝 ； Ａｎ ｓ ｙ ｓ ； 反应谱 ； 动力 分析 ； 静 力 分 析 中图分类 号 ： Ｔ Ｖ３ １ １ ； ＴＶ３ １ ２ 文献 标志码 ： Ａ 文章 编号 ： １ ０ ０ ４ — ０ ３ ６ ６ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ３ — ０ ０ ８ ４ — ０ ４
第 ２ ５卷
第 ３期
甘 肃 科 学 学 报
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｇａ ｎ ｓ ｕ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ｓ
Ｖｏ １ ． ２ ５ ＮＯ． ３
Ｓ ｅ ｐ ．２ ０１ ３
２ ０１ ３年 ９月
基于 Ａ ｎ ｓ ｙ ｓ的 龙 滩 碾 压 混 凝 土 重 力 坝 抗 震 动 力 分 析
（ １ ． Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｅｎ ｅ ｒ ｇ ｙ ａ ｎ ｄ Ｐｏ ｗｅ ｒ Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ， Ｌ ａ ｎ ｚ ｈ ｏ ｕ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ， Ｌ ａ ｎ ｚ ｈ ｏ ｕ ７ ３ ０ ０ ５ ０ ， Ｃｈ ｉ ｎ ａ
Hale Waihona Puke Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｗｉ ｔ ｈ ｔ ｈｅ ｆ ａ ｓ ｔ ｄ ｅ ｖｅ ｌ ｏ ｐｍ ｅ ｎｔ ｏ ｆ ｃ ｏｎ ｃ ｒ ｅ ｔ ｅ ｇｒ ａ ｖ ｉ ｔ ｙ ｄ ａ ｍ ｃ ｏ ｎｓ ｔ ｒ ｕｃ ｔ ｉ ｏ ｎ， ｈｉ ｇｈ ｄ ａ ｍｓ ｗｉ ｌ ｌ ｂｅ ｇｒ ａ ｄ ｕａ ｌ ｌ ｙ ｂ ｕｉ ｌ ｔ ｉ ｎ ｍａ ｎｙ ｒ ｉ ｖ ｅ ｒ ｂａ ｓ ｉ ｎ ｓ， ｅ ｓ ｐｅ ｃ ｉ ａ ｌ ｌ ｙ ｉ ｎ ｈｉ ｇ ｈ ｉ ｎｔ ｅ ｎｓ ｉ ｔ ｙ ｓ ｉ ｔ ｅ ｓ ， ａ ｎｄ ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ａ ｎ ａ ｌ ｙｓ ｉ ｓ ｉ ｓ ａ ｎ ｉ ｍｐ ｏｒ ｔ ａ ｎｔ ｉ ｎｄｅ ｘ ｆ ｏ ｒ
应用ANSYS软件进行混凝土重力坝的有限元静力和模态分析
应用ANSYS软件进行混凝土重力坝的有限元静力和模态分析丰梦梦等【摘要】采用ANSYS结构分析软件，通过对某小型混凝土重力坝工程进行有限元静力和模态分析，研究探讨了坝体在满库工况下的变形和应力分布，以了解坝体在工况下的工作形态。
同时，进行高阶模态分析，了解坝体的自振频率和振型并进行简单分析，最后做总结【关键词】ANSYS软件静力分析模态分析混凝土重力坝1 前言我国土地辽阔，水资源丰富，可以开发的水电容量约为3.78亿KW，据世界第一位。
目前我们已经修建了如三峡、小浪底等大型水利水电工程，而这些工程也在我国经济建设中发挥了巨大的作用。
建国以来，随着技术的提高，各种各样型式的重力坝在坝工设计中占了很大的比重。
重力坝是一种主要依靠坝体自重产生的抗滑力来维持自身稳定的坝型。
近年来，混凝土重力坝在重力坝中所占的比重越来越大。
混凝土重力坝以具有安全可靠，耐久性好，抵抗渗漏、设计和施工技术简单，易于机械化施工、对不同的地形和地质条件适应性强等优点而被广泛应用[1]。
但由于许多坝都是建立在地震多发和高烈度地区，一旦遭到破坏将会带来难以估计的经济和损失，因此对大坝做模态分析，计算分析它的固有频率和振型，为重力坝的抗震稳定性分析奠定基础。
2 有限元模型建立某工程非溢流混凝土重力坝，高17米，宽24米，顶宽5米。
上游面坡度为1：0，下游面坡度为1：0.8[2]。
假设大坝的基础是嵌入到基岩中，地基是刚性的。
大坝采用的材料参数为：弹性模量E=3.5GPa，泊松比ν=0.2，容重γ=25KN/m3。
水的质量密度1000kg/m3。
模型见图一2.1静力分析SOLID186是一个高阶3维20节点固体结构单元，SOLID186具有二次位移模式可以更好的模拟不规则的网。
本文使用SOLID186单元进行数值模拟分析。
按照满库状态施加荷载，基础是刚性，底面施加约束，对整个重力坝施加重力荷载，然后求解分析。
分析结果见图二、图三、图四、图五。
第5章ANSYS水利工程应用实例分析
本章首先概述了水利工程ANSYS 应用，其次介绍了ANSYS 重力坝抗震性能分析步骤，最后用实例详细介绍了ANSYS 抗震性能分析过程。
内容 提要 第5章 ANSYS 水利工程应用实例分析本章重点水利工程 ANSYS 重力坝抗震性能分析步骤ANSYS 重力坝抗震性能用实例分析本章典型效果图5。
1 水利工程概述虽然我国水利资源非常丰富，但河流在地区和时间分配上很不均衡，许多地区在枯水季节容易出现干早，而在洪水季节又往往由于水量过多而形成洪涝灾害。
为了解决这一矛盾,人们修建了许多水利工程来达到防洪、灌溉、发电、供水、航运等目的，促进国民经济建设的发展.水利工程中各种建筑物按其在水利枢纽中所起的作用，可以分为以下几类:（1）挡水建筑物用以拦截河流，形成水库,如各种坝和水闸以及抵御洪水所用的堤防等.(2）泄水建筑物用以宣泄水库〔或渠道）在洪水期间或其它情况下的多余水量，以保证坝（或渠道)的安全,如各种溢流坝、溢流道、泄洪隧道和泄洪涵管等。
(3）输水建筑物为灌溉、发电或供水，从水库（或河道）向库外（或下游)输水用的建筑物,如引水隧道、引水涵管、渠道和渡槽等。
（4)取水建筑物是输水建筑物的首部建筑，如为灌溉、发电、供水而建的进水闸、扬水站等。
（5)整治建筑物用以调整水流与河床、河岸的相互作用以及防护水库、湖泊中的波浪和水流对岸坡的冲刷，如丁坝、顺坝、导流堤、护底和护岸等。
由于破坏后果的灾难性，大型水利工程建设的首要目标是安全可靠，其次才是经济合理。
所以说研究大坝等水工建筑物的安全分析、评价和监控，是工程技术人员需要解决的课题,正确分析大坝性态已经成为当务之急。
当前对各种水利工程评价主要采用有限元分析方法，借助各种有限元软件对这些水利工程建筑物进行安全评价，其中应用比较广泛的是ANSYS软件。
目前，ANSYS软件在水利工程中主要应用以下几个方面：(1）应用各种坝体工程的设计和施工利用ANSYS软件，模拟各种坝体施工过程以及坝体在使用阶段受到各种载荷（如水位变化对坝体的压力、地震荷载等）下结构的安全性能进行评价，模拟坝体的温度场和应力场，借助模拟结果修改设计或对坝体采取加固措施.(2）应用于各种引水隧道、引水涵管等设计和施工利用ANSYS软件，模拟这些工程开挖、支护、浇注、回填过程，分析结构在载荷作用下的变形情况、结构的安全可靠度，以及衬砌支护结构在水压、温度发生变化后产生的变形情况和结构内力,依靠ANSYS模拟结果对结构安全性进行评价.（3)应用于各种水库闸门的设计和施工水库闸门在上游水作用下将发生弯曲、扭转、剪切和拉压等组合变形，利用ANSYS中的SHELL63单元来模拟闸门，利用大型结构有限元分析程序ANSYS，对闸门结构进行三维有限元分析，根据分析结果进行强度校核。
碾压混凝土坝地震响应的有限元仿真分析
度等 。碾压混凝土重力 坝计 算参 数见表 １ 。
表 １ 材 料 特 性 参 数
等级为 Ｃ ０ 主坝主体 部分采 用 三级 配碾 压混 凝 土 ， ２， 强度 等 级
为 Ｃ５ １ 。坝高为 １４ｍ， ２ 上游 蓄水 水深为 １８ｍ， １ 下游 水深 为 ５ ３
ｍ。坝 顶宽 １ 上 游底 部 坡面 系数 为 ０ ２ 下游 坡 面系 数 为 ０ｍ， ．，
拟 断层等地质情况 。 岩体计算单元采用空 间 ８节点三 维实体单 元 Ｓｌ ４ ， ｏｉ ５ 基岩 ｄ
布 的因素很 多 ， 有廊道大小 、 形状和位 置、 幕位置 、 帷 温度荷 载 、
收 稿 日期 ：０ ８ ５ ２ ２ ０ —０ ￣ ４
弹性模量为 １ ． Ｐ ， ６０Ｇ ａ 泊松 比为 ０ ２ ， 密度 为 ２５０ｋ／ ．５ 松散 ０ ｇｍ 。
１ 坝体基本设计参数
百色水利枢纽位于广西郁江 上游 右江干 流上 ， 坝址在 百色 市上 游 ２ ｍ处 ， 一座 以防洪为主 ， 有发 电、 ２ｋ 是 兼 灌溉 、 航运 、 供 水等综合 效益的大 型水利 枢纽 。枢纽拦 河 主坝 为全 断面碾 压 混凝土重 力坝。主坝上游迎水面采用 二级配碾 压混凝 土 ， 度 强
碾 压混凝 土坝筑 坝技 术是 ２ ０世 纪 ７ ０年代兴起 的一 种新
型筑坝技术 ， 实质是把 混凝 土坝 和土 石坝 两种施 工方 法结 合 、 改进而成 Ｊ 。这种坝 型是 坝工 界在 寻求快 速经 济地 建设 混凝 土重力坝过程 中产 生的一种新坝型 ， 价低 、 造 建设 速度快 ， 在水 利水 电工程 中被 大量采 用 。因碾压 混凝 土坝多 数处 于地 震活 动 区内， 要考虑大坝 的抗震 问题 Ｊ 故 。影响混凝 土坝地 震反
基于ANSYS的混凝土结构地震响应分析
基于ANSYS的混凝土结构地震响应分析一、研究背景随着现代建筑的不断发展，结构设计越来越重视地震安全性能。
混凝土结构作为一种常见的建筑结构，其地震响应分析对于提高建筑结构的抗震能力至关重要。
ANSYS软件是一款广泛应用于工程领域的有限元分析软件，可以模拟复杂的结构响应，因此在混凝土结构地震响应分析中也有着广泛的应用。
本研究旨在通过基于ANSYS的混凝土结构地震响应分析，探究混凝土结构地震响应的特点和规律，为建筑结构设计提供参考。
二、研究方法本研究采用ANSYS软件进行混凝土结构地震响应分析。
首先，建立混凝土结构的有限元模型，包括节点、单元和材料等参数，通过设置荷载和边界条件，模拟地震荷载下混凝土结构的响应。
然后，对模拟结果进行分析，包括位移、加速度、应变、应力等参数，探究混凝土结构地震响应的特点和规律。
三、研究内容1.建立混凝土结构的有限元模型（1）选择适当的单元类型ANSYS软件支持多种单元类型，包括梁单元、板单元、壳单元、体单元等。
根据混凝土结构的实际情况，选择合适的单元类型进行建模。
例如，梁单元适用于模拟梁柱结构，板单元适用于模拟板状结构，壳单元适用于模拟薄壳结构，体单元适用于模拟立体结构。
（2）设置节点和边界条件在建立有限元模型时，需要设置节点和边界条件。
节点是有限元模型中的基本单元，用于描述结构的几何形状和位置。
边界条件是指在模拟中限制节点的自由度，以模拟实际结构中的支撑和约束。
例如，可以设置节点的位移、旋转和力等边界条件。
（3）定义材料和荷载参数在有限元模型中，需要定义材料和荷载参数。
材料参数包括弹性模量、泊松比、密度等，用于描述混凝土结构的材料性质。
荷载参数包括静荷载和动荷载，用于模拟地震荷载下混凝土结构的响应。
静荷载可以通过设置节点的力或位移进行模拟，动荷载可以采用地震谱进行模拟。
2.模拟地震荷载下混凝土结构的响应根据建立的有限元模型，设置荷载和边界条件，模拟地震荷载下混凝土结构的响应。
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。
ANALYSIS OF SEISMIC PERFORMANCE OF GRAVITY DAMBASED ON ANSYS【Abstract】Establish a 120m gravity dam model and using ANSYS analysis software, analysis of the gravity dam retaining dam in static and dynamic effect of the stress change rules, and on the dam seismic safety performance assessment, to provide a theoretical basis for the design and construction of similar projects.【Keywords】gravity dam;Ansys;response spectrum;earthquake 1 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。
利用ANSYS程序的二次开发功能进行面板堆石坝地震反应分析
１ 工 程 背 景
九甸 峡水 利枢纽 工程 混凝 土 面板堆 石坝最 大 高 度 １ ６５ ３ ． ｍ，电站 总装 机容 量为 ３ ０ ０ ＭＷ 。
该工 程坝 址 区地震 基本烈 度 经鉴定 ，并 由国家
图 Ｉ Ｓ Ｉ ＯＬ Ｉ Ｍ５单 元 图
压 的应 力 应 变 关 系 ，直 接 用 于 堆 石 坝 地 震 反 应 的 非 线 性 瞬 态 分 析 。 【 关键 词】 面 板堆 石 坝 地 震 波 Ａ Ｙ ＮＳ Ｓ程 序 ＡＰ ＤＬ语 言 非 线 性 应 力 应 变 曲 线 弹 塑 性 模 型 围压 【 图分类号】 中 Ｔ ２ 【 Ｖ３ ３ 文献 标 识 码 】 Ａ 【 章 编 号 】 １ ７ — ２ ６ （０ ６ ４ ０２ 一Ｏ 文 ６ ２ ４ ９ ２ ０ ）０ — ０ ８ ３
・ ２ ・ ８
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设计与施工
表 １ 材 料 密 度 表
材 料 位置 垫层 料 过 渡料 主 堆 石料
水 利 规 划 与设 计
型中 ，用虚 拟温度 值作 为 围压值 。
２０ 年第 ４ ０６ 期
干 密度 （ ／ ｍ。 ｇｃ ） ２２ ．８ ２ ２ ．５ ２ ２ ．Ｏ
・ — ’
Ｐ ， ７ ’ ｆ 、
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Ｏ 轴 向成 蹙 ￡ （ １ ）
基于ANSYS的碾压混凝土重力坝静动力分析_邹小红
工工况下 , 位于坝 顶上游侧 角点 , 最大值为 -1. 52 cm , 其它工况均出现在坝后斜坡中间位置 。 在施工 期 , 由于坝体自重影响 , 坝体倾向上游为顺河向位移 最大值为 1. 05 cm , 出现在坝顶上游侧角点处 ; 其 它工况由于静水压力作用均倾向下游 , 且都出现在 坝顶下游侧角点处 , 最大顺河向位移出现在校核洪 水位工况下为 1 . 57 cm 。 在校核洪水位工况下坝基 顺岩层方向下滑位移最大为 0. 53 cm , 垂直岩层方 向挤压 , 最大位移约 -1 . 04 cm , 最大值均出现在坝 趾处 。 4. 2 静态应力场分析 挡水坝段坝基各 静力工况的最大应力值见表
3 计算内容及方法
3. 1 计算内容 通过阿海重力坝方案进行线性静动力有限元分 析 , 给出坝体及基础在静动力荷载作用下的位移场 与应力场等 , 以了解坝体和基岩在设计条件下的工 作形态 , 对混凝土 重力坝方案的可 靠性进行评价 。 静力分析 , 采用线弹性材料进行模拟 ; 动力分析 , 采 用 DL5073 -1997《 水工建筑物抗震设计规 范》 中所 规定的振型分解反应谱法按弹性材料进行计算 。 3. 2 计算工况 计算荷载有自重 、 正常蓄水位上下游静水压力 、 设计洪水位上下游静水压力 、校核洪水位上下游静 水压力 、泥沙压力 、 浪压力 、扬压力 、 动水压力 、地震 荷载 。 考虑以下 5 种工况 : 施工工况 、 正常蓄水位工 况、 设计洪水位工况 、 校核洪水位工况 、地震工况 。 3. 3 计算模型 结合坝体结构及坝址地质情况选取挡水坝段进 行有限元分析 , 有限元模型见图 1 。 模型的 边界范 围: 坝体上 、 下游及坝底分别延伸 2 倍坝高 。 约束条 件: 上 、下游两侧施加法向约 束 , 底部施加全约束 。 坐标规定为 : X 为顺河向 , 指向下游为正 ; Y 为竖直 方向 , 竖直向上为正 ; Z 为横河向 , 指向右岸为正 。
基于ANSYS软件的混凝土重力坝分析
基于ANSYS软件的混凝土重力坝分析重力坝的优点：（1）比较好建造，对环境要求也不高；（2）工作效果很好；（3）运行相当安全；（4）泄洪方便，导流容易；（5）受力明确，结构简单。
不足的地方：重力坝工作特点，是依靠自重的作用，来维持重力坝本身的稳定，所以防滑这部分的工作就显得尤为重要。
我们可以通过使用ANSYS、ADINA、Abaqus、MSC等有限元分析软件，对混凝土重力坝进行检测与分析。
文章中主要是用ANSYS分析重力坝，然后根据分析的结果对重力坝坝型进行完善。
标签：ANSYS；有限元分析软件；重力坝Abstract：The advantages of gravity dam：better construction，the environmental requirements are not high，the work effect is very good，the operation is very safe，flood discharge is convenient，the diversion is easy，the force is clear，the structure is simple. The insufficient place：the gravity dam work characteristic，is relies on the self-weight the function，maintains the gravity dam itself the stability，therefore the non-slip this part of work appears to be particularly important. We can use ANSYS，ADINA，Abaqus，MSC and other finite element analysis software to detect and analyze the concrete gravity dam. In this paper，the gravity dam is analyzed by ANSYS，and then the gravity dam type is perfected according to the analysis results.Keywords：ANSYS；finite element analysis software；gravity dam引言重力坝[1]具有很悠久历史，二十世纪以来，随着计算机的发展、筑坝材料的更新、机械化程度的提高、自动化程度的提高等因素影响下，重力坝的结构设计与布局也逐步趋于现代化。
基于ANSYS的碾压混凝土拱坝抗震分析
能 ，对于公式 要借 助 Ａ Ｄ Ｐ Ｌ语 言编 程实现 【； ｔ用
ｍａ２ 单元 把附加 质量加在坝面节 点上。 ｓ１ ｓ Ａ ＤＬ语 言是 Ａ Ｓ Ｓ的一 种参 数 化 程 序 设 Ｐ ＮＹ 计 语言 ， 供一 般程 序语 言 的功 能 。 提 另外 还 提 供 简单界 面定制 功能 。 现参 数交 互输 入 、 息 定 实 消
现参 数化有限元分析 的全过程
该碾压混凝 土拱坝坝顶 高程 １０７８ｍ。 ７． 最大 坝高 １７８ｍ。 １． 坝型采 用抛物线方案 ， 坝体拱冠梁 顶厚度为 ６０ １ｍ， 冠梁底为 ２ ． ４ｍ， ． 拱 ０ ５８ 厚高 比 ２
为 ０２２１。 ． Ｉ ２ Ｔ
３ 拱坝的动力响应分析
程为：
Ｐ 誓 ＝
（ ２ ）
６） （吾 ， ，
ｙ 为位 置深度 。
（ ４ ）
式 中 ｂ）为 附加水体质量 的宽度 ， （） ， ｈ为挡水高度 ，
边界条件 为 ： 面 ｐ ０ 拱坝 与水 体交界 面 ＝ 水 ＝１
在 Ａ Ｙ ＮＳ Ｓ中 没 有 直 接 施 加 动 水 压 力 的 功
１ 拱 坝的 结构 一 水体 耦 合方 程
采 用有限元法分析结构 的地震 响应 时 ，根据
题的最有效 方法之 一 。 它可 以按 照任意要求 的精
最 小势 能 原理 可 以导 出整个 结构 的动 力平 衡方
程为 ： 】艿 ＋ ｃ ｛） 【 ｛ ｝ 一 ｛ ｛｝ 【】６ ＋ ６ ＝ 【 ｝ （） １
度求得体系的自振周期与振型， 它采用完整的【 刚
和【 矩阵， 加 其实 质 是把逆 迭 代 同 Ｒ ｔ法 结合起 ｉ ｚ
基于ANSYS的碾压混凝土重力坝坝基面抗滑稳定安全性分析
Ｔ ｒ ｕ ｈ ａｌ ｘ ｍｐｅ ｅａｌｄ ｉｓ ｕ ｔ ｎ ｎ ｈ ｗ ｏ ｂ ｈ ｏ ｇ ｌ ｅ ａ ｌ，ｄ ｔｉ ｔ ｃｉ ｓｏ ｏ ｔ ｙＡＮＳ ｏ ｔ ａｅ ａ ｄ ＡＰ ａ ｇ ａ ｅａ ａｙ ｅｇ ａ ｉ ｅ ｎ ｒ ｏ ＹＳ ｓ ｆｗ ｒ ｎ ＤＬ ｌｎ ｕ ｇ ｎ ｌｚ ｒｖｔ ｙ
力坝和常规 混凝土坝有 所不 同，常规 重力坝 ，特别
是高坝 ，一般 来说坝基 面就是坝体稳 定控制面 。如
何对高碾压 混凝土重力坝 坝基抗滑稳 定进 行分析就
ｌ有 限 单元法
有 限元法 计算 重力坝 一般把 坝体 、坝 基作平面
显得很重要 。 目前重力坝坝 基面稳定计算方 法 ，大 都是半经验性 的刚体 极限平 衡法 ，理论上不够成熟 ，
利用有 限元分析坝 体和坝基接触面抗 滑稳定 分析，
应变 问题 分析 。坝基包 括主 要的地质构造 ，取足够
文 章编 号 ： １７－０ ５ （０ ０ ４ ０８ — ３ ６ ４８ ８ ２ １ ）０ —０ ０ ０
基 于 Ａ ＹＳ的碾压 混凝 土重 力坝 ＮＳ 坝 基面 抗滑稳 定 安全性 分析
杨冬升 ，张 晖 ，龚常青 ’
（ 贵州 大学土 木建筑 工程 学院 ，贵 州 ，贵阳 ５００ ：２ 州省 毕节地 区勘测 设计研究 院，贵 州．毕 节 ５ １０ ） Ｉ ５０ ３ ． 贵 ５７０
（ ． ｖｌ ｎ ｉｅ ｒ ｇａ ｄＣｏ ｓｒｃｉｎｆｒ ｌ ｇ ， ｉｈ ｕｕ ｉｅｓｔ， ｉａ ｇ Ｇｕｚ ｏ ５ ０ ３ Ｃｈｎ ； １ＣｉｉＥ ｇｎ ｅ ｎ ｎ ｎｔ ｔｏ ｌ ｅ Ｇｕｚ ｏ ｎｖ ｒｉ Ｇｕｙ ｎ ， ｉ ｕ５ ０ ０ ， ｉａ ｉ ｕ ｏ Ｃｏ ｅ ｙ ｈ
ｄ ｍ ｆ ｔｂ ｌ ｙ ａ ａｎ ｔ ｌ ｉｇ ａ ｏ ａ ｉｔ ｇ ｉｓ ｎ ．； ｒｖｔ ａ Ｆ ｎｔ ｅｅ ｎ ｔｏ ； ｙｗｏ ｄ ： ｇ ａ ｉ ｄ ｍ； ｉｉ ｌｍｅ ｔ ｈ ｄ ＡＮＳ ： ＤＬ ｙ ｅ ｍｅ ＹＳ ＡＰ
基于ANSYS的重力坝地震动力有限元分析
水 电工 程 中被大 量 采 用 ． 因碾 压混 凝 土 坝 多 数处 于
地震 活动 区 内 ， 以要 考虑 大坝 的抗 震 问题 ． 所 开展 碾
建 模 和位 移 边 界条 件 与 三维 静 力 分 析过 程一
致， 然后 进行模 态分 析 ， 采 土 坝 的抗 震研 究 ， 有 十分重 要 的意义 ． 具
小、 压力大 ， 而二维有限元应变单元模型分析 结果为应 变大 、 拉力大 、 压力小 ． 采用响应谱方法和三维实体模型
分析了重力坝的动力特性和地震响应 ， 最大地震动位移 出现在坝顶上游侧 ， 坝体 的轴 向中心附 近处 出现过 大
的应力集中 。 坝体轴 向中心顶部 的扭转 变形 以及静水压力作用对水平动位移和竖 向动位移也有影响 ．
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华
北
水
利
水
电
学
院
学
报
２０ Ｏ６年 ２月
图１ Ｄ ２ 有限元模型边界条件及萁加载
图 ２ Ｄ有 限元模型边界条件 及加载 ３
通过 大型通 用有 限元 分 析 软 件 Ａ Ｓ Ｓ 对 上 述 ＮＹ ， 的两种有 限元 模 型进行 分析 ， 出如 下结 论 ： 得 １通 过 自由度 解 的对 比可 以看 出 ：Ｄ有 限 元 分 ． ２ 析 结果 比 ３ Ｄ有 限元分 析相 应 的结果 都要 大 ． ２ 由应力解 的对 比可 以得 到 ： 移 最 大值 和 自 ． 位
件取 坝底 平 面为 固定 端 ， 左端 面为 轴对称 面 ， 取 右端 面为 固定端 ．
收 稿 日期 ： ０ —１ —１ ； 订 日期 ：０５—１ —２ ２ ５ ０ ０修 ０ ２０ １ ０
化线荷 载 以及坝 体重 力荷 载 ， 底 线为 固定端 ． ２ 坝 图 为 选用 １２结构子 模 型 ， 体半 长 度 为 ２０ｍ， 用 ／ 坝 ０ 采
碾压混凝土坝层间应力ANSYS模拟与稳定分析
关键词 ： 碾压混凝 土坝 ； 层间应力 ； 限元 ； Ｓ Ｓ 稳定 分析 有 ＡＮ Ｙ ；
中 图分 类 号 ：Ｕ １ Ｔ３１ 文 献 标 识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ：６ ２—３０ （ ００ １ —０ ０ １７ ６０ ２ １ ）２ １５—０ ５
Ｓｔ ｂｉｉｙ ａ ａ ｌｔ ｎａｌ ｓ ｎｄ Ａ Ｎ ＳＹ Ｓ ｓｍ ｕ ａ ｉ ｎ ｎ ａ ｒ ｓ ｙｅａ ｉ ｌ ｔｏ ｏ ｌ ｙｅ ｈｏｕ ｄ ｎｔｏ ｏｌｅ ｏ ｐａｃ ｅ ｍ ｌ ｄｉ ｆ ｒ ｌ ｒ ｃ ｍ ｔ ｄ ｄａ
Ｏ 引 言
碾 压混凝 土 坝 Ｒ Ｃ Ｒ ｌ ｒ ｏ ｐ ｃ ｄＤ ｍ） Ｃ （ ｏｌ ｍ ａｔ ａ 筑坝 技术 是 ２ ｅＣ ｅ ０世纪 ７ ０年代 兴起 的一种 新 型筑坝 技术 ｎ ． ］碾 压混凝 土是 用振 动碾压 实 的超干 硬性 混凝 土 ， 压混 凝 土坝 是在 常 态混 凝 土 坝与 土石 坝 的激烈 竞 争 中产 生 碾
高 永 辉 ， 凯 ， 景 梅 杨 王
（ 商丘师范学 院 建筑 与土木工程 系 ， 河南 商丘 ４ ６ ０ ） ７０ ０ 摘 要 ： 对碾压混凝土坝结构的层 间应力进行研究 ， 建立 了有 限元 等效模型 ， 出 了求解碾压 混凝土坝 层 间 提
应 力 的 方 法 ， 通 过 工 程 实例 验 证 了其 实 用性 ． 并
ＧＡＯ Ｙｏ ｇ ｕ ， ｎ ｈ ｉ ＹＡＮＧ Ｋａ ， ＡＮＧ Ｊ ｎ ｍｅ ｉＷ ｉｇ ｉ
（ ｅｔｏ ｒｈｔｃｕｅＣｖｌ ｎ ｉｅｒ ｇＳ ａ ｇ ｉ Ｔ ａｈ ｒ Ｃ ｌ ｇ ，ｈ ｎｑｕ ７ ００，ｈｎ ） Ｄ ｐ．ｆ ｃ ｉ ｔｒ ｉｉＥ ｇ ｅｉ ，ｈ ｎ ｑｕ ｅｃｅｓ ｏ ｅｅ Ｓ ａｇ ｉ ６ ０ Ｃ ｉａ Ａ ｅ ｎ ｎ ｌ ４
基于ANSYS的混凝土重力坝坝基抗滑稳定可靠度分析
靠 度 的随机变 量进行 大量 抽样 ， 后把这些 抽样值 然
一
组 一组 地代人 功 能 函数 式 ， 定 结构 是 否 失效 ， 确 蒙 特 卡 罗法 就是 依 靠上 述 思路 求解 结 构失 效
最后 从 中求 得结 构 的失效 概 率 。 概率 的 。该 法使 结构 可 靠度 的分 析 能够 通 过计 算
土 、 基材料 变异 时 ， 地 如何 计 算坝 基 抗 滑稳 定 的可 靠指标 。
１ 坝 基 面 抗滑 稳 定 的有 限单 元 法
当坝体 沿坝基 或层 面滑动 时 ， 可沿 接触 面求 出 每个 单元 的应 力正 应 力 仃 和剪 应 力 丁 ， 某 分 设
段 的长度为 ｆ 则 这一 接触 面的阻 滑力为 （ ， 厂 ＋ Ｃ） 滑动力 为 Ａ 沿 接触 面求 代 数 和 ， 以得 Ａ ， ， 可 出抗滑稳定 安 全系数 为
中图分类号 ：Ｖ １ Ｔ ３４ 文 献标识 码 ： Ａ
重力 坝 主要 依靠 其 自身重 量 在 地基 上 产
系数 ； —作 用 的 设 计 值 ； Ｆ— ａ —— 几 何 参 数 ；
生 的摩 擦力和 坝与 地基 之 间的凝 聚 力 来抵 抗 坝 前 厂 — —材 料性 能的设 计值 ； —— 结构 系数 。 ｄ 的水推 力和坝 下 的扬 压力 从 而 保 持抗 滑 稳 定 。重 抗滑稳 定极 限状 态作 用效 应 函数 ｓ ・ ＝ （）
文章编号
１０ ５ ６ （０ ０ ０ — １４一 ４ ００— ２ ９ ２ １ ） １ ０ ２ ｏ
基 于 Ａ Ｓ Ｓ的混 凝 土重 力坝 坝基 抗 滑稳 定 可靠 度分析 ＮＹ
杨 冬 升 ， 张
摘
晖
（ 贵州大学 土木建筑工程学院， 贵州 贵阳 ５０ ０ ） ５０ ３
碾压混凝土重力坝抗震动力分析
25
表 3 坝体特征部位地震动位移
mm
位 置 坝顶上游面 坝顶下游面 上游坝面折坡点 坝踵 坝趾 消力戽坎顶 消力戽坎底
水平位移 竖向位移
21. 1 9. 5
20. 3 4. 6
5. 8
3. 5 3. 5
2. 9
2. 8
6. 2
5. 3 3. 4
1. 8
2. 0
图 3 第一阶振型
图 4 第二阶振型
动态弹性模量的标准值可在静力基础上提高 30% ， 混凝土动态抗拉强度的标准值可取为动态抗压强度 标准值的 10% 。故坝踵、坝趾混凝土动力抗压强度 为 25. 74M Pa； 坝 踵、坝 趾 混 凝 土 的 动 力 抗 拉 强 度 2. 574M Pa，上、下游折坡处混凝土动力抗拉强度也 为 2. 574M Pa。
坝趾
1. 434 1 0. 895 3 0. 769 2 0. 536 4 0. 336 5
上游折坡处 2. 239 5 0. 252 3 2. 222 4 0. 184 7 0. 235 2
在地震作用下，坝体大部分处于受拉状态，应力 分布较为均匀，在坝踵、上游坝面折坡处、下游坝面 折坡处等部位应力较大，有轻度的应力集中。溢流 头部没有明显的局部应力集中现象，说明溢流坝的 体型设计从抗震角度来看是比较合理的。克服了一 般重力坝由于上部刚度过分削弱引起应力集中、而
在坝体上部出现动应力峰值的弊病。大朝山碾压混 凝土重力坝具有较好的抗震性能（ 见图 10 ～ 13） 。 3. 3 抗震效应
抗震计算考虑永久作用、可变作用与地震作用 效应的效应组合，即偶然组合。本文将基本组合作 用下的静态效应和地震作用效应组合作为抗震计算 的作用效应。地震作用分项系数取 1. 0。
基于ANSYS的拱坝可视化建模和有限元仿真分析
基于ANSYS的拱坝可视化建模和有限元仿真分析一、本文概述随着计算机科学和工程技术的飞速发展，数值模拟在水利工程领域的应用日益广泛。
拱坝作为一种重要的水利工程结构，其稳定性与安全性对于整个水利系统的运行至关重要。
因此，对拱坝进行精确、高效的可视化建模和有限元仿真分析具有重要意义。
本文旨在介绍基于ANSYS软件的拱坝可视化建模和有限元仿真分析方法，通过详细的步骤和案例分析，展示该方法在实际工程中的应用效果。
本文将对拱坝的结构特点进行简要介绍，阐述拱坝在水利工程中的作用和地位。
接着，将详细介绍ANSYS软件在拱坝可视化建模方面的功能和应用，包括模型的建立、材料属性的设置、边界条件的处理等。
在此基础上，本文将重点探讨有限元仿真分析在拱坝稳定性评估中的应用，包括模型的加载、求解过程以及结果的后处理等。
本文还将通过具体的案例分析，展示基于ANSYS的拱坝可视化建模和有限元仿真分析方法的实际应用效果。
通过对不同工况下的拱坝进行仿真分析，评估其稳定性和安全性，为工程设计和施工提供有力支持。
本文将对基于ANSYS的拱坝可视化建模和有限元仿真分析方法进行总结和评价，分析其优点和不足，并提出相应的改进建议。
还将展望该方法在未来水利工程领域的应用前景和发展趋势。
通过本文的阐述和分析，读者可以深入了解基于ANSYS的拱坝可视化建模和有限元仿真分析方法的基本原理和应用流程，掌握其在水利工程领域的应用技巧和方法，为相关工程实践提供有益的参考和指导。
二、拱坝可视化建模拱坝可视化建模是拱坝设计和分析的重要步骤，它能够帮助工程师更直观地理解拱坝的结构特性，预测其在不同工况下的行为，并为后续的有限元仿真分析提供基础。
在这一部分，我们将基于ANSYS平台，详细介绍拱坝可视化建模的方法和步骤。
在众多工程建模软件中，我们选择了ANSYS作为本次拱坝建模的主要工具。
ANSYS作为一款功能强大的工程仿真软件，拥有丰富的建模工具和分析模块，能够满足拱坝建模和仿真分析的各种需求。
基于ANSYS的拱坝体型优化及等效应力分析的开题报告
基于ANSYS的拱坝体型优化及等效应力分析的开题报告题目：基于ANSYS的拱坝体型优化及等效应力分析研究内容：随着人们对水资源的需求日益增加，水利工程建设越来越受到重视。
在水利工程中，拱坝被广泛应用于水电站、灌溉工程等领域。
为了提高拱坝的安全性和经济性，需要对拱坝的体型进行优化，并对其应力进行分析。
本研究主要包括以下内容：1. 拱坝体型优化：基于ANSYS软件，通过有限元方法对拱坝的力学响应进行计算，对不同的拱坝体型进行比较和优化，确定最佳的拱坝体型。
2. 等效应力分析：在确定了最优的拱坝体型后，对其进行等效应力分析。
通过计算拱坝的等效应力分布情况，评估其稳定性和安全性。
研究方法：1. 建立拱坝的有限元模型：通过ANSYS软件建立拱坝的有限元模型，对拱坝的受力情况进行分析。
2. 拱坝体型优化：在有限元模型的基础上，通过对不同拱坝体型的计算和比较，确定最佳的拱坝体型。
3. 等效应力分析：在最佳拱坝体型的基础上，对拱坝进行等效应力分析，评估其稳定性和安全性。
预期结果：通过本研究，预计达到以下几个方面的预期结果：1. 确定最优的拱坝体型，提高拱坝的经济性和工程效益。
2. 评估拱坝的稳定性和安全性，为拱坝工程的设计和施工提供依据。
3. 探索使用ANSYS软件进行拱坝优化和应力分析的方法，为类似工程提供参考。
参考文献：1. 吕光远. ANSYS有限元分析与工程应用[M]. 机械工业出版社, 2015.2. 张志赞, 周良胜, 陈志堂. 水利工程结构力学分析[M]. 人民交通出版社, 2009.3. 叶波. 水利工程的力学分析和优化设计[M]. 机械工业出版社, 2013.。
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东北水利水电２００６年第６期（第２４卷２６３期）［收稿日期］２００６－０２－０６［作者简介］邹辉（１９７９－），男，江苏邳州人，河海大学硕士研究生，研究方向为水工结构抗震。
基于ANSYS 的碾压混凝土拱坝抗震分析邹辉，张燎军，王海青，张义［摘要］本文用ＡＮＳＹＳ的参数化程序设计语言ＡＰＤＬ进行二次开发，编制了动水压力的求解模块，在ＡＮＳＹＳ中实现了坝体－库水－地基的耦合求解，并应用于工程实践，结果符合一般规律。
［关键词］ＡＮＳＹＳ；碾压混凝土拱坝；抗震分析［中图分类号］ＴＶ３１２［文献标识码］Ｂ［文章编号］１００２－０６２４（２００６）０６－００１６－０３（河海大学水利水电工程学院，江苏南京２１００９８）ＡＮＳＹＳ是一个通用的大型有限元分析软件，但在动力分析中，没有求解动水压力的模块。
本文用ＡＮＳＹＳ的参数化程序设计语言ＡＰＤＬ进行二次开发，编制了动水压力的求解模块，在ＡＮＳＹＳ中实现了坝体－库水－地基的耦合求解。
１拱坝的结构－水体耦合方程采用有限元法分析结构的地震响应时，根据最小势能原理可以导出整个结构的动力平衡方程为：［Ｋ］｛!｝＋［Ｃ］｛!｝＋［Ｍ］｛!｝＝－［Ｍ］｛!ｇ｝（１）式中｛!｝、｛!｝、｛!｝分别为结构的位移列阵、速度列阵和加速度列阵；［Ｋ］、［Ｃ］分别为系统的整体劲度矩阵和阻尼矩阵；［Ｍ］是结构的集中质量矩阵。
考虑水动力荷载作用下的拱坝结构振动，应该考虑水体和拱坝的耦合作用。
动水压力Ｐ满足的方程为：!２Ｐ＝１ｃ２"ｐ"ｔ（２）边界条件为：水面ｐ＝０；拱坝与水体交界面"ｐ"ｎ＝－#ｕｎ；水库远端"ｐ"ｎ＝１ｃ"ｐ"ｔ。
式中ｎ是接触面的法线；其正方向指向水体外部。
联立方程（１）和（２），可得到结构－水体耦合的动力方程［Ｋ］｛!｝＋［Ｃ］｛!｝＋（［Ｍ］＋［Ｍｐ］）｛!｝＝－（［Ｍ］＋［Ｍｐ］）｛!ｇ｝（３）式中［Ｍｐ］为动水压力附加质量矩阵。
一般水工结构经离散化后自由度数目较大，而求结构地震反应时，通常只要求３至１０个最低频率及相应的振型，因此，选择合适的分析方法将有助于提高动力的精度以及保证结构分析的准确性。
本文采用子空间迭代法来分析有限元模型的动力特性。
子空间迭代法是解决大型结构问题的最有效方法之一，它可以按照任意要求的精度求得体系的自振周期与振型，它采用完整的［Ｋ］和［Ｍ］矩阵，其实质是把逆迭代同Ｒｉｔｚ法结合起来。
即通过迭代，使参加的振型逐渐逼近特征空间，可以按任意的精度逼近精确振型的解。
２动水压力在ＡＮＳＹＳ中的实现对于拱坝等挡水结构，挡水面以前的水体可视为无限水域，地震动水压力采用Ｗｅｓｔｅｒｇａｒｄ附加质量公式：ｂ（ｙ）＝７８ｈｙ"（４）式中ｂ（ｙ）为附加水体质量的宽度，ｈ为挡水高度，ｙ为位置深度。
在ＡＮＳＹＳ中没有直接施加动水压力的功能，对于公式要借助ＡＰＤＬ语言编程实现［１］；用ｍａｓｓ２１单元把附加质量加在坝面节点上。
ＡＰＤＬ语言是ＡＮＳＹＳ的一种参数化程序设计语言，提供一般程序语言的功能，另外还提供简单界面定制功能，实现参数交互输入、消息定制、界面驱动和运行应用程序等。
利用ＡＰＤＬ的・・・・・・・・・・・・・１６２００６年第６期（第２４卷２６３期）东北水利水电程序语言和宏技术组织管理ＡＮＳＹＳ的有限元分析命令，就可以实现参数化建模、施加参数化荷载与求解以及参数化后处理结果的显示，从而实现参数化有限元分析的全过程。
３拱坝的动力响应分析拱坝结构系统的动力响应，主要是解系统的动力方程式（１），以求得系统产生的位移、速度和加速度的值以及动荷载下物体的应力、变形等问题。
目前有两种方法采用的较多，一是振型分解反应谱法，二是时程分析法。
本文采用振型分解反应谱法。
振型分解反应谱法是在振型叠加法的基础上推导出的一种近似方法。
这个方法需要事先求出结构的若干个振型和频率，但是，可以直接利用标准的设计反应谱，求各振型的最大动力反应最大绝对加速度、最大相对速度和最大相对位移。
水工采用的抗震设计标准反应谱如图１。
该反应谱是加速度谱，且相应于阻尼比!＝０．０５，故而当!≠０．０５时，由该反应谱"得出的设计反应谱应按式（５）换算"＝"０!０．０５４"（５）式中"０为相应于!＝０．０５时的标准值；"为与其它阻尼比!对应的设计反应谱。
当用反应谱法求拱坝结构的地震反应时，应先求出结构的若干个低阶振型和周期，根据求得的周期并利用设计反应谱图求得各振型对应的设计反应谱值"ｉ，便可以进而求出结构各振型的最大位移向量、和最大应力向量｛Ｕｍａｘ｝ｉ＝#ｉ"ｉｋｇ｛$０｝ｉ／%２ｉ；｛&ｍａｘ｝＝#ｉ"ｉｋｇ｛&０｝ｉ／%２ｉ式中ｋ为地震系数，在７度地震时，ｋ＝０．１；ｇ是重力加速度；｛’０｝ｉ为第ｉ阶振型向量；｛&０｝ｉ为与第ｉ阶振型向量对应的振型应力向量；#ｉ为结构第阶振型的参与系数。
地震作用效应按平方和方根法进行组合，即ＳＥ＝ｍｊ＝１#Ｓ２ｊ"（６）式中ＳＥ为组合后的地震作用总效应；Ｓｊ为第ｊ阶振型的地震作用效应；ｍ为计算采用的振型数目。
４碾压混凝土拱坝抗震分析本文以某碾压混凝土拱坝为例研究其地震反应。
４．１工程参数及建模该碾压混凝土拱坝坝顶高程１０７７．８ｍ，最大坝高１１７．８ｍ。
坝型采用抛物线方案，坝体拱冠梁顶厚度为６．００１ｍ，拱冠梁底为２５．８２４ｍ，厚高比为０．２２２ｍ。
大坝碾压混凝土的参数为：强度等级为Ｃ２０，轴心抗压强度标准值（９０ｄ龄期）ｆｃｋ为２２．４Ｎ／ｍｍ２，弹性模量Ｅｃ为２．５５×１０４Ｎ／ｍｍ２，重度γｃ为２４Ｎ／ｍｍ２，泊松比为０．１６７，基岩总共有８种材料类型，弹性模量为７．５～８．５ＧＰａ，软弱夹层弹性模量取０．１ＧＰａ。
大坝工程抗震设防类别为丙类，设防烈度为７度。
水平设计地震加速度代表值为０．１５ｇ，场地类别Ⅱ，特征周期为０．４５ｓ。
地震作用效应的计算方法根据ＤＬ５０７３－２０００《水工建筑物抗震设计规范规范》确定［２］。
进行动力计算时，混凝土的动态抗拉强度和动态弹性模量较其静态标准值提高３０％；动态抗拉强度的标准值可取为动态抗压强度标准值的１０％。
坝体和基岩均按线弹性考虑，基岩不计质量，设计加速度反应谱最大值的代表值βｍａｘ取２．５００，结构的阻尼比取５．０％。
建模时基础计算范围取为：上下游方向各取一倍坝宽，坝的左右岸各取１．５倍坝宽，基础深度取一倍坝高，考虑了坝的右岸两条宽约１ｍ的断层，采用软弱夹层来模拟。
网格剖分时采用空间８节点等参单元，计算模型的节点总数为２７１７１，对模型底部采用固定约束，四周边界采用法向链杆约束。
４．２模态分析首先利用ＡＮＳＹＳ“模态分析”模块来确定结构的自振特性，即结构的固有频率和振型，采用图１水工建筑物抗震设计反应谱１７东北水利水电２００６年第６期（第２４卷２６３期）振型空库满库１４．１８８６２．８９７５２４．７３５８３．７０１８３６．８１２８５．０４９１４７．４９２６６．２５０８５７．９０５５６．５６０７６８．１３２６６．８１９０７１０．２７０７．３７４９８１１．９３６８．０２６４高程（ｍ）Ｘ向位移（ｃｍ）Ｙ向位移（ｃｍ）Ｚ向位移（ｃｍ）上游面下游面上游面下游面上游面下游面１０７７．８０．２９０．３６２．０１２．０１０．３１０．３２１０６３．００．２６０．３３１．５７１．５７０．２６０．３３１０４９．００．２２０．２９１．３６１．３６０．２２０．２９１０３５．００．１８０．２８１．１４１．１４０．２００．２６１０２１．００．１８０．２５０．９２０．９２０．１７０．２２１００７．００．１５０．２２０．６５０．６５０．１４０．２１９９３．００．１１０．１８０．４８０．４８０．１２０．１１９７９．００．０７７０．１１０．２５０．２５０．０８５０．０７１９６２．００．０４１０．０７６０．０４８０．０４８０．０５５０．０５６高程（ｍ）Ｘ向位移（ｃｍ）Ｙ向位移（ｃｍ）Ｚ向位移（ｃｍ）上游面下游面上游面下游面上游面下游面１０７７．８２．７３２．４４０．７３１．５８０．１１０．１３１０６３．０３．２３２．１７０．６２１．９００．３７０．４３１０４９．０３．０３１．８２０．５４２．２１０．４９０．６９１０３５．０２．５７１．６６０．４６１．７７０．７００．９３１０２１．０２．０８１．１３０．３９１．６５０．８７０．６９１００７．０１．５６０．８４０．３２１．４６０．９２０．５４９９３．０１．０７０．６６０．２７１．２１０．８８０．４７９７９．００．６００．４７０．１１０．７６０．９２０．４０９６２．００．２７０．３３０．５１０．２７１．３２０．５８子空间迭代法提取模态，分别得到坝的空库和正常蓄水位工况下前８阶振型的特性如表２。
表１振型频率表结果表明，满库的自振频率较空库时明显减小；空库和满库时的主振方向是一致的，前４阶振型的主振方向分别为顺河向、横河向、顺河向、横河向。
在动力响应中贡献最大的第一阶振型，以顺河向振动为主；拱坝的自振频率很密，有的相邻振型的频率值相差很少。
４．３谱分析在模态分析的基础上，对结构进行谱分析。
按照水工抗震规范采用的抗震设计标准反应谱，计算出在本场地水平设计地震加速度代表值和特征周期条件下的反应谱［２］，根据此谱对有限元模型进行谱分析，同时考虑顺河向和横河向的地震效应组合。
地震作用效应按平方和方根法（ＳＲＳＳ）对各阶模态进行组合，可以得到结构的最大响应。
由于对大型水工结构地震作用效应贡献最大的是前几阶振型，所以振型组合仅取前８阶进行计算，得到坝总的动应力和动位移。
动应力和动位移表如表２和表３（ｘ向为横河向，ｙ向为顺河向）。
在横河向结构整体变形图上，可以看出坝肩上游侧的断层两边有明显的位移差，断层上游侧的位移较小，才０．０２ｃｍ，而下游侧则达到了０．２４ｃｍ，而在其他方向的整体变形图则无明显差异，由此可以得出在地震波作用下，断层两侧的位移变化趋势主要是横河向，要做特殊的抗震处理。
由拱坝典型高程最大位移表可知，横河向动位移最大值为０．３６ｃｍ，发生在下游面右坝肩附近；ｙ向动位移最大值为２．０１ｃｍ，发生在坝顶Ａ点附近；ｚ向动位移最大值为０．３３ｃｍ，发生在坝顶下游面偏右岸２０ｍ附近。
由最大动应力表可知，Ｘ向动应力上游面最大值为３．２３ＭＰａ，发生在坝轴线１０６３ｍ高程附近区域，下游面为２．４４ＭＰａ，发生在右岸坝肩处，均为拉应力；Ｙ向动应力上游面为０．７３ＭＰａ，发生在两岸坝肩，下游面为２．２１ＭＰａ，发生在１０５０ｍ高程坝与岩基交接处；Ｚ向动应力上游面最大值为１．３２ＭＰａ，发生在坝底，下游面为０．９３ＭＰａ，发生在右岸坝与岩基交接处，１０３５ｍ高程附近区域。