应用ANSYS软件进行混凝土重力坝的有限元静力和模态分析

【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。 

　　从图二中可看出X方向的最大位移是0.119mm，位置在坝顶；最小位移是0.00104mm，位置在坝底部。从图三中看出y方向的最小位移是0.117mm，位置在坝底部。从图四中看出z方向的最大位移和最小位移相差不大且数值很小，基本可以忽略。根据x，y，z方向的位移图可以看出，在满库状态下，坝沿着河流方向以及竖直方向的位移是在安全范围之内的。从图五中看出最小应力集中在坝顶部分，最大位移集中在坝踵处，符合实际。 

　　2.2模态分析 

　　模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。本文在静力分析的基础上，选用Block Lanczos方法进行模态分析。 

　　根据表一可得出1.一到十阶振型的频率一直增大；2.坝体振动有六个振型方向是沿着x方向，即顺着河流方向。3. 坝体振动有y方向和z方向都有两个；4.六阶和七阶振型的频率很相近，需要注意。 

　　3 结论 

　　在上述的条件下，通过有限元的分析，我们可以得到以下几点结论和建议： 

　　（1）在静力荷载下，坝xyz三个方向的位移都不大，坝体安全可靠。 

　　（2）在静力荷载下，坝体顺着x方向即河流方向应力主要是压应力，在坝踵出出现应力集中区，符合实际。 

　　（3）基于静力分析的荷载条件下，进行了高阶模态分析，总体自振频率提高。在六阶和七阶出现相似频率，有两种处理结果：a.认为是不同的两阶振型，按两种频率分析。b.认为是同一阶频率，是按照不同方向的振动。本文中按照b类处理 

　　本文通过ANASYS软件模拟混凝土坝静力分析，分析得出坝体安全可靠。再通过高阶模态分析，得出其自振频率和振型，为其后的抗震稳定性分析奠定基础。希望对重力坝抗震方面有指导意义。 

　　参考文献 

　　[1]潘家铮.重力坝设计[M].北京：水利电力出版社，1985 

　　[2]DL5108-1999，混凝土重力坝设计规范[S].