【正文】 壩抗震性能用實例分析 本章典型效果圖 水利工程概述雖然我國水利資源非常豐富，但河流在地區(qū)和時間分配上很不均衡，許多地區(qū)在枯水季節(jié)容易出現(xiàn)干早，而在洪水季節(jié)又往往由于水量過多而形成洪澇災(zāi)害。為了解決這一矛盾，人們修建了許多水利工程來達到防洪、灌溉、發(fā)電、供水、航運等目的，促進國民經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展。(2)泄水建筑物用以宣泄水庫〔或渠道)在洪水期間或其它情況下的多余水量，以保證壩(或渠道)的安全，如各種溢流壩、溢流道、泄洪隧道和泄洪涵管等。(4)取水建筑物是輸水建筑物的首部建筑，如為灌溉、發(fā)電、供水而建的進水閘、揚水站等。由于破壞后果的災(zāi)難性，大型水利工程建設(shè)的首要目標是安全可靠，其次才是經(jīng)濟合理。當前對各種水利工程評價主要采用有限元分析方法，借助各種有限元軟件對這些水利工程建筑物進行安全評價，其中應(yīng)用比較廣泛的是ANSYS軟件。(2)應(yīng)用于各種引水隧道、引水涵管等設(shè)計和施工利用ANSYS軟件，模擬這些工程開挖、支護、澆注、回填過程，分析結(jié)構(gòu)在載荷作用下的變形情況、結(jié)構(gòu)的安全可靠度，以及襯砌支護結(jié)構(gòu)在水壓、溫度發(fā)生變化后產(chǎn)生的變形情況和結(jié)構(gòu)內(nèi)力，依靠ANSYS模擬結(jié)果對結(jié)構(gòu)安全性進行評價。 ANSYS重力壩抗震性能分析步驟重力壩是一種古老而重要的壩型，主要依靠壩體自身重力來維持壩身的穩(wěn)定。重力壩的具有很多優(yōu)點：(1)安全可靠。(2)對地形、地質(zhì)條件適應(yīng)性強，壩體作用于地基面上的壓應(yīng)力不高，所以對地質(zhì)條件的要求也較低，低壩甚至可修建在土基上。(4)施工方便，便于機械化施工。鑒于重力壩有如此多優(yōu)點，所以它得到了廣泛應(yīng)用。重力壩抗震性能分析一般分以下五個步驟：創(chuàng)建物理環(huán)境建立模型和劃分網(wǎng)格施加邊界條件和載荷（地震荷載）求解后處理（查看計算結(jié)果） 創(chuàng)建物理環(huán)境在定義壩體抗震性能分析問題的物理環(huán)境時，進入ANSYS前處理器，建立這個壩體抗震性能分析的數(shù)學仿真模型。這樣ANSYS會根據(jù)你所選擇的參數(shù)來對GUI圖形界面進行過濾，選擇Structural以便在進行壩體抗震性能分析時過濾掉一些不必要的菜單及相應(yīng)圖形界面。用下列方法定義分析標題。ANSYS軟件提供了100種以上的單元類型，可以用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料，各種不同的單元組合在一起，成為具體的物理問題的抽象模型。大多數(shù)單元類型都有關(guān)鍵選項（KEYOPTS），這些選項用以修正單元特性。如標準國際單位制下，時間是秒（s），長度是米（m），質(zhì)量是千克（kg），則導(dǎo)出力的單位是kg?m/s2（相當于牛頓N），材料的彈性模量單位是kg/m?s2（相當于帕Pa）。ANSYS程序可定義的材料特性有以下三種：（1）線性或非線性。（3）隨溫度變化或不隨溫度變化。命令：MPGUI：Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Models 或 Main MenuSolutionLoad Step OptsOtherChange Mat PropsMaterial Modelsu 壩體靜力分析時可考慮材料的非線性，但進行抗震性能分析時，需要將非線性參數(shù)：內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力刪除。在進行壩體抗震性能分析時，需要建立模擬壩體的PLANE82單元。通過GUI為模型中的各區(qū)賦予特性：選擇Main在對話框中為所選定的區(qū)域說明材料號、實常數(shù)號、單元類型號和單元坐標系號。u 進行大壩3D模擬分析時，用SOLID65模擬混凝土單元和SOLID45模擬巖石單元的，2D模擬分析時，只需用一個PLANE42單元就可以。在求解時，ANSYS程序會自動將加到實體模型上的邊界條件和載荷轉(zhuǎn)遞到有限元模型上。命令：D作用在重力壩上的荷載包含水壓力、冰壓力、泥沙壓力、地震力及壩體自重荷載等。由壩體體積和材料的容重算出。作用在壩面上的靜水壓力可根據(jù)靜水力學原理計算，分為水平力及垂直力。同理可求得下游壩面的總靜水壓力的水平向分力及垂直分力。重力壩壩體混凝土或漿砌石砌體不是絕對不透水的，它們的表面及內(nèi)部存在著無數(shù)微小的孔隙，壩基巖石本身孔隙雖然很少，但是也存在著節(jié)理、裂隙。(4)動水壓力。只計算反弧段上的動水壓力。在寒冷地區(qū)水庫表面冬季結(jié)成冰蓋，當氣溫回升時，冰蓋發(fā)生膨脹，因而對擋水建筑物上游面產(chǎn)生冰壓力。水庫蓄水后，入庫水流挾帶泥沙，逐年淤積在壩前，對壩面產(chǎn)生泥沙壓力。浪壓力與風速和水庫吹程有關(guān)，但在荷載中所占比重較小，通常忽略。主要是由建筑物質(zhì)量引起的地震慣性力、地震動水壓力和動土壓力。得到壩體在靜力荷載作用下的位移場與應(yīng)力，了解壩體在設(shè)計條件下的工作形態(tài)，對混凝土重力壩方案的可靠性進行評價評價大壩命令：SOLVEGUI：Main MenuSolutionSolve Current LS由于地震時的地面運動以水平方向為主，在地震力作用下結(jié)構(gòu)的振動也以水平振動為主，故本次分析只考慮了水平方向的地震載荷的作用。它是假定地震時與地面加速度相同的加速度作用在壩體各部位，求出地震時的慣性力，然后根據(jù)慣性力來評價大壩的安全性。采用擬靜力法計算重力壩的地震作用效應(yīng)時，水深h處的地震動水壓力的代表值的計算： ( 54 )式中：——作用在直立迎水壩面水深h處的動水壓力代表值；——水平向地震加速度的代表值，；——地震作用效應(yīng)折減系數(shù)，除另有規(guī)定外，；——水深h處的地震動水壓力分布系數(shù)；——水體質(zhì)量密度的標準值；——水總深度。按照這一理論，應(yīng)用地震譜曲線，就可以按照實際地面運動來計算建筑物的反應(yīng)。對于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)可以簡化為若干振型的疊加，每個振型又可轉(zhuǎn)化為一個單質(zhì)點來考慮。地震產(chǎn)生的破壞，與受力大小和受頻譜的最大振動的持續(xù)時間的都有關(guān)系。模態(tài)分析用于確定結(jié)構(gòu)的振動特性，即結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，它們是結(jié)構(gòu)承受動態(tài)荷載設(shè)計中的重要參數(shù)，也是更詳細的動力分析的基礎(chǔ)。水深h處的地震動水壓力的作用按公式(56)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的壩面附加質(zhì)量。3)時程分析法，求得結(jié)構(gòu)任意時刻地震反應(yīng)的分析方法，所以動態(tài)時程分析方法也稱為直接積分法。 后處理 后處理的目的是以圖和表的形式描述計算結(jié)果。通過研究大壩的變形、位移和應(yīng)力情況，來綜合判斷大壩的抗震性能及安全性能。 ANSYS重力壩抗震性能實例分析 實例介紹圖53 重力壩斷面結(jié)構(gòu)實例選取應(yīng)用非常廣泛的重力壩，斷面結(jié)構(gòu)如圖53所示。因為重力壩結(jié)構(gòu)比較簡單，垂直于長度方向的斷面結(jié)構(gòu)受力分布情況也基本相同，并且大壩的縱向長度遠大于其橫斷面，因此大壩抗震性能分析選用單位斷面進行平面應(yīng)變分析是可行的。2） 大壩采用的材料參數(shù)為：彈性模量E=35GPa，泊松比=，容重=25KN/。4） 水的質(zhì)量密度1000kg/。 GUI操作方法 創(chuàng)建物理環(huán)境1) 在【開始】菜單中依次選取【所有程序】/【】/【ANSYS Product Launcher】，得到“ Product Launcher”對話框。3）單擊“RUN”按鈕。5）定義工作標題：Utility Menu File Change Title，在彈出的對話框中輸入“Dam seismic Analysis”，單擊“OK”，如圖54。彈出如圖55所示對話框。圖55 定義PLANE42單元對話框 ：Main Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete，彈出一個單元類型對話框，選中“Type 2 PLANE42”，單擊“Options”按鈕，彈出一個“PLANE42 element Type options”對話框，如圖56所示。圖56 PLANE42單元庫類型選項對話框u 通過設(shè)置PLANE42單元選項“K3”為“Plane strain”來設(shè)定本實例分析采取平面應(yīng)變模型進行分析。7）定義材料屬性執(zhí)行Main Menu Preprocessor Material Props Material Models，彈出“Define Material Model Behavior”對話框，如圖57所示。再在選中“Density”并雙擊，彈出如圖59所示“Density for Material Number 1”對話框，在“DENS”后面的欄中輸入邊坡土體材料的密度“2500”，單擊“OK”按鈕。在“NPT keypoint number”欄后面輸入“1”，在“X，Y，Z Location in active CS”欄后面輸入“（0，0，0）”，單擊“Apply”按鈕，這樣就創(chuàng)建了關(guān)鍵點1。圖510 在當前坐標系創(chuàng)建關(guān)鍵點對話框：Main Menu Preprocessor Modeling CreateLinesStraight line，彈出“Creae straight lines”對話框，用鼠標依次點擊關(guān)鍵點2，單擊“Apply”按鈕，這樣就創(chuàng)建了直接L1，同樣分別連接關(guān)鍵點“3”，“4”，“5”，“1”，最后單擊“OK”按鈕，就得到壩體線模型，如圖511所示。選中“Keypoint Numbers” 選項，后面的文字由“off”變?yōu)椤皁n”,單擊“OK”關(guān)閉窗口。圖513 壩體面模型 3）劃分壩體單元網(wǎng)格 ：Main MenuPreprocessorMeshingSize CntrlsManualSizeLayersPicked Lines，彈出一個“Set Layer Controls”對話框，如圖514所示，用鼠標選取線L1，單擊“OK”按鈕。 圖514 選取線對話框 圖515 設(shè)置網(wǎng)格分數(shù)對話框相同方法設(shè)置線L2分割份數(shù)為32；設(shè)置線LL4和L5線的分割份數(shù)分別為40。4)保存壩體單元網(wǎng)格Utility Menu File Save as，彈出一個“Save Database”對話框，在“Save Database to”下面輸入欄中輸入文件名“”，單擊“OK”。彈出“Apply U,ROT on Nodes”對話框，如圖517所示，在“DOFS to be constrained”欄后面中選取“ALL DOF”，在“Apply as”欄后面的下拉菜單中選取“Constant value”，在“Displacement value”欄后面輸入“0”值，然后單擊“OK”按鈕。在“Global Cartesian Yp”欄后面輸入重力加速度值“”就可以，單擊“OK”按鈕，就完成了重力加速度的施加。彈出“Apply PRES on lines”對話框，如圖519所示。圖519 施加水壓力載荷對話框u 本次加的荷載是水深為120米時作用在壩上的水壓力，迎水面波度是87度。圖520指定求解類型對話框： Main MenuPreprocessorLoadsAnalysis TypeSol39。圖521設(shè)置載荷步對話框 ：Main MenuSolutionAnalysis TypeSol39。2）靜力求解：Main MenuSolutionSolveCurrent LS，彈出一個求解選項信息和一個當前求解載荷步對話框，檢查信息無錯誤后，單擊“OK”，開始求解運算，直到出現(xiàn)一個“Solution is done”的提示欄，表示求解結(jié)束。圖522設(shè)置線性搜索對話框圖523 設(shè)置模態(tài)分析選項對話框1）模態(tài)分析求解：Main MenuSolutionAnalysis TypeNew Analysis，彈出一個如圖520所示對話框，在“Type of analysis”欄后面選中“Modal”，單擊“OK”按鈕。圖524 模態(tài)分析求解時子空間設(shè)置對話框圖525 模態(tài)求解選項信息：Main MenuSolutionSolveCurrent LS，彈出一個模態(tài)求解選項信息（如圖525所示）和一個當前求解載荷步對話框，檢查信息無錯誤后，單擊“OK”，開始求解運算，直到出現(xiàn)一個“Solution is done”的提示欄，表示求解結(jié)束。圖526 模態(tài)分析各階頻率：Main Menu General Postproc Read Summary，彈出如圖526所示對話框。u 譜分析時，ANSYS忽略材料非線性。2）反應(yīng)譜分析