Ansys在壩體工程力學問題簡化中的應用

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簡介： 在采用有限元程序進行壩體工程力學分析時，如果按照真實的壩體模型進行分析，是一個三維問題，耗費分析的計算機資源，有時候也難以得出比較理想的結果。本文將壩體工程這種特殊的力學問題進行平面應變模式的力學簡化，用比較少的計算機資源進行有限元求解分析，其結果可以滿足工程設計的要求。
關鍵字：Ansys 壩體工程 力學 簡化

一、工程概述：

　　壩體工程為混凝土重力壩，混凝土強度等級為C20。假設壩體的長度為100米，高為30米，寬從上到下由3米變化到10米，基礎深五米，壩體上游一側為垂直的，下游一側為傾斜的。假設壩體的兩側嵌入河流兩岸的巖石中，并且壩體的基礎也嵌入基巖中。計算分析的水位為30米，采用國標鋼筋混凝土設計規(guī)范進行驗算（GB50010-2002）。

二、有限元分析的力學簡化：

　　在采用有限元程序進行壩體工程力學分析時，如果按照真實的壩體模型進行分析，是一個三維問題，分析起來既麻煩又耗費時間和計算機資源，而且結果未必理想。本文根據彈性力學理論，將這種在縱向比較長而橫斷面相對比較小的壩體結構簡化為平面應變的模式進行分析，即認為壩體結構在縱向是不變形的，沒有位移，只在橫斷面方向產生位移，同時在縱向和橫向都有應力產生，并且認為沿縱向在橫斷面方向所產生的位移是相等的，這樣是進行了近似處理，由于邊界條件的影響，在兩側河岸處的位移實際上比壩中要小，不過在壩中段采用這樣的力學簡化是完全合理的。位移邊界的簡化是將基礎端視為固定端，因壩體嵌入基巖內，這樣的簡化是合理的。

三、Ansys建模與計算：

1、幾何模型：

2、網格劃分：

3、結構變形圖：

四、計算結果分析與處理：

1、最值統(tǒng)計：

　　位移、應力和第一主應力的最大值和最小值，見下表。

表1

位移（m）第一主應力（Pa）UX最大值UY最大值最大值最小值節(jié)點號節(jié)點號節(jié)點號節(jié)點號0.55519E-0.20.69353E-0.32863200-3665030455312應力（Pa）SX最大值SX最小值SY最大值SY最小值節(jié)點號節(jié)點號節(jié)點號節(jié)點號0.52872E+06-0.5687E+060.26307E+07-0.25E+071212

2、變形和強度驗算：

（1）變形驗算：

　　由表1 可以看出，最大的x方向位移為5.552mm，y方向位移為0.694mm。由變形圖可知其最大變形量為5.6mm。根據混凝土規(guī)范變形要求，其最大的變形量應為L/650=30000/650=46.154mm＞5.6mm，L為壩高。故從變形角度來看，該壩體工程滿足設計要求。

（2）反力驗算：

　　反力在x方向都是受壓，且最大壓應力為0.6MPa，y方向最大拉應力為2.06MPa，最大壓應力為1.464MPa。其控制設計的是拉應力為2.06MPa，因壩體的基礎也為C20混凝土，其抗拉強度設計值為1.10MPa，故要開裂，不能滿足設計要求，需要對混凝土基礎進行處理。

（3）強度驗算：

　　強度驗算主要是進行混凝土的應力驗算。從表1可知：x方向最大壓應力為0.57MPa，最大拉應力為0.53MPa；y方向最大壓應力為2.51MPa，最大拉應力為2.63MPa；第一主應力的最大壓應力為3.66MPa，最大拉應力為2.86MPa。控制設計的為第一主應力，即最大壓應力為3.66MPa，最大拉應力為2.86MPa。根據混凝土結構設計規(guī)范，C20混凝土的抗拉強度設計值為1.10MPa＜2.86MPa，抗壓強度設計值為9.6MPa＞3.66MPa。故抗拉強度超過了設計值，要采取相應的措施。

3、處理措施：

　　（1）對于壩體的基礎，采取提高混凝土等級或者對混凝土拉應力超過了設計強度值的部分進行配筋處理。

　?。?）對于壩體部分混凝土結構，也可以提高混凝土的等級，然后改變有限元模擬計算的相應材料參數，進行重新分析計算，得出應力結果再跟規(guī)范中的設計強度值進行比較驗算，直到滿足設計要求為止。

　?。?）為了降低工程的造價，壩體部分混凝土結構也可以采取局部加強的辦法?；蛱岣呔植炕炷恋膹姸鹊燃?，或局部配置足夠鋼筋。

五、結論：

　　本文介紹了壩體工程力學問題的簡化方法，用這種方法計算，結果滿足工程設計的要求，并通過介紹Ansys有限元軟件對壩體力學簡化模型的計算分析過程，給出了設計人員在進行設計計算時的一般過程。

參考文獻：

1.徐芝綸，彈性力學簡明教程，高等教育出版社，2001年7月

2.李權，Ansys在土木工程中的應用，人民郵電出版社，2005年6月