ANSYS及其應用

郝曉亮

近年來，?。?）型病險水庫大多都修建于上世紀50、60年代，很多水庫大壩都修建成了“異形壩”，給現(xiàn)在的除險加固中計算部分增加了很大的難度，但一些大型計算軟件可解決非常復雜的計算問題。

本文主要介紹有限元計算軟件ANSYS在拱壩壩體應力計算中的應用，選取了某小（2）型水庫砌石拱壩的壩體應力計算。

1. 工程概況

某水庫的控制流域面積46km2，是一座防洪灌溉相結合的?。?）型水庫，其總庫容37萬m3，大壩在1974年施工，初期為堆石壩，防滲體為漿砌石防滲墻，因技術、經(jīng)費等原因，之后經(jīng)續(xù)建和維修，改為了漿砌石拱壩。水工建筑物也采用20年一遇設計洪水標準和200年一遇校核洪水標準。

水庫大壩為漿砌石拱壩，壩長78m，其中溢流壩段長40m，兩側(cè)非溢流壩段長38m。壩頂設了1.3m高的防浪墻，非溢流壩段最大壩高26.5m，壩頂寬2m，左側(cè)非溢流壩段長13.8m，右側(cè)非溢流壩段長24.2m；拱壩拱軸半徑r=41.5m，為變厚拱。大壩迎水坡為垂直面，背水坡坡比為1∶0.1，壩底寬5m。溢流壩段最大壩高23m，型式為實用堰，長40m，采用自由跌落式消能。

2. 應用方法及途徑

拱壩壩體應力采用有限元分析方法計算，有限元分析是用較簡單的問題代替復雜問題后再求解。有限元不僅計算精度高，而且能適應各種復雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。本文利用大型通用有限元分析軟件ANSYS建立的可以精確描述原有拱壩幾何特性的可視化模型，對所選擇實例進行其應力的有限元分析，得出原大壩的應力特征并對所得結果進行分析，對拱壩的安全性得出初步的結論。

2.1 計算工況

根據(jù) 《砌石壩設計規(guī)范》（SL25-2006）和 《混凝土拱壩設計規(guī)范》（SL282-2003），在本階段拱壩的應力分析計算選擇了以下兩種荷載組合：

工況一：自重，正常蓄水位及相應的下游水位下的靜水壓力，設計正常溫降的溫度荷載，冰荷載和土壓力。

工況二：自重，正常蓄水位及相應的下游水位下的靜水壓力，設計正常溫升的溫度荷載、土壓力。

2.2 模型的建立

根據(jù)對工程實際數(shù)據(jù)的測量，在軟件ANSYS中創(chuàng)建壩體及壩基的實體模型，工程的建模方法參考已有工程，建模范圍選擇大壩壩體以下1倍壩高基巖；壩體的前、后、左、右各1.5倍壩高基巖，不考慮放水洞和一些細部結構。此模型中的垂直于水流方向為X方向，以指向庫區(qū)河道左岸為正的方向；Y方向為指向上游為正方向；Z方向為鉛直方向向上為正，見圖1、圖2。

本模型采用結構分析單元SOLID92，該單元具有二次位移，適用于模擬不規(guī)則的網(wǎng)格，該元素由10個節(jié)點定義而成，每個節(jié)點有3個自由度，X、Y、Z方向。采用自由網(wǎng)格的劃分，有限元模型劃分后，如圖1、2所示。此計算中規(guī)定正為拉應力，負為壓應力。其坐標系復符合右手螺旋定則。模型的邊界條件是：順著水流的方向也就是Y方向兩側(cè)邊施加位移的約束；沿著垂直水流的方向也就是X方向的兩個側(cè)面施加位移約束；底面所有自由度都約束。

2.3 模型的求解

經(jīng)計算，在工況一荷載組合下，壩體第一主應力大部分是正值，壩體處于受拉狀態(tài)，最大的主拉應力為3.4MPa，出現(xiàn)于距壩底三分之一的壩高位置，只有上游面上半部分存在部分受壓區(qū)，最大的主壓應力0.3MPa；其第三主應力大部為負值，很明顯處于受壓的狀態(tài)，最大的主壓應力1.5MPa，出現(xiàn)位置為拱冠梁下游，最大的主拉應力0.90MPa；壩體拱向的最大拉應力出現(xiàn)位置為兩岸壩肩處，數(shù)值為2.9MPa，拱向最大的壓應力0.5MPa。綜上可看出，壩體的應力狀態(tài)呈現(xiàn)拋物線的形式，并且分布對稱。

圖1 壩體有限元模型

圖2 整體有限元模型

經(jīng)計算，在工況二荷載組合下，壩體第一主應力上游面受壓區(qū)比較大，下游面受拉區(qū)較大，最大的主拉應力為0.9MPa，出現(xiàn)在壩體右側(cè)，最大的主壓應力1.2MPa，出現(xiàn)在壩底部分；壩體的第三主應力基本為負值，最大的主壓應力4.1MPa，其受壓狀態(tài)比較明顯，出現(xiàn)位置在壩體右側(cè)部分；壩體的最大拱向拉應力為0.5MPa，最大拱向壓應力為3.8MPa。綜上可看出，壩體應力基本呈現(xiàn)拋物線形式且分布對稱，分布狀態(tài)較好，強度滿足要求。

3. 結論

在以上兩種荷載組合作用下，強度的標準根據(jù)等效應力變換以后的數(shù)值判斷，計算所得主應力值都小于規(guī)定的強度標準，故壩體在以上兩種工況下的應力滿足強度要求。

工況一跟工況二比較，前者為溫降情況，后者為溫升情況，溫降情況下壩體拱向的拉應力較大，溫升情況拱向的拉應力較小，由此可看出溫度的下降對壩體不利。