Ansys在坝体工程力学问题简化中的应用

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简介： 在采用有限元程序进行坝体工程力学分析时，如果按照真实的坝体模型进行分析，是一个三维问题，耗费分析的计算机资源，有时候也难以得出比较理想的结果。本文将坝体工程这种特殊的力学问题进行平面应变模式的力学简化，用比较少的计算机资源进行有限元求解分析，其结果可以满足工程设计的要求。
关键字：Ansys 坝体工程 力学 简化

一、工程概述：

　　坝体工程为混凝土重力坝，混凝土强度等级为C20。假设坝体的长度为100米，高为30米，宽从上到下由3米变化到10米，基础深五米，坝体上游一侧为垂直的，下游一侧为倾斜的。假设坝体的两侧嵌入河流两岸的岩石中，并且坝体的基础也嵌入基岩中。计算分析的水位为30米，采用国标钢筋混凝土设计规范进行验算（GB50010-2002）。

二、有限元分析的力学简化：

　　在采用有限元程序进行坝体工程力学分析时，如果按照真实的坝体模型进行分析，是一个三维问题，分析起来既麻烦又耗费时间和计算机资源，而且结果未必理想。本文根据弹性力学理论，将这种在纵向比较长而横断面相对比较小的坝体结构简化为平面应变的模式进行分析，即认为坝体结构在纵向是不变形的，没有位移，只在横断面方向产生位移，同时在纵向和横向都有应力产生，并且认为沿纵向在横断面方向所产生的位移是相等的，这样是进行了近似处理，由于边界条件的影响，在两侧河岸处的位移实际上比坝中要小，不过在坝中段采用这样的力学简化是完全合理的。位移边界的简化是将基础端视为固定端，因坝体嵌入基岩内，这样的简化是合理的。

三、Ansys建模与计算：

1、几何模型：

2、网格划分：

3、结构变形图：

四、计算结果分析与处理：

1、最值统计：

　　位移、应力和第一主应力的最大值和最小值，见下表。

表1

位移（m）第一主应力（Pa）UX最大值UY最大值最大值最小值节点号节点号节点号节点号0.55519E-0.20.69353E-0.32863200-3665030455312应力（Pa）SX最大值SX最小值SY最大值SY最小值节点号节点号节点号节点号0.52872E+06-0.5687E+060.26307E+07-0.25E+071212

2、变形和强度验算：

（1）变形验算：

　　由表1 可以看出，最大的x方向位移为5.552mm，y方向位移为0.694mm。由变形图可知其最大变形量为5.6mm。根据混凝土规范变形要求，其最大的变形量应为L/650=30000/650=46.154mm＞5.6mm，L为坝高。故从变形角度来看，该坝体工程满足设计要求。

（2）反力验算：

　　反力在x方向都是受压，且最大压应力为0.6MPa，y方向最大拉应力为2.06MPa，最大压应力为1.464MPa。其控制设计的是拉应力为2.06MPa，因坝体的基础也为C20混凝土，其抗拉强度设计值为1.10MPa，故要开裂，不能满足设计要求，需要对混凝土基础进行处理。

（3）强度验算：

　　强度验算主要是进行混凝土的应力验算。从表1可知：x方向最大压应力为0.57MPa，最大拉应力为0.53MPa；y方向最大压应力为2.51MPa，最大拉应力为2.63MPa；第一主应力的最大压应力为3.66MPa，最大拉应力为2.86MPa。控制设计的为第一主应力，即最大压应力为3.66MPa，最大拉应力为2.86MPa。根据混凝土结构设计规范，C20混凝土的抗拉强度设计值为1.10MPa＜2.86MPa，抗压强度设计值为9.6MPa＞3.66MPa。故抗拉强度超过了设计值，要采取相应的措施。

3、处理措施：

　　（1）对于坝体的基础，采取提高混凝土等级或者对混凝土拉应力超过了设计强度值的部分进行配筋处理。

　　（2）对于坝体部分混凝土结构，也可以提高混凝土的等级，然后改变有限元模拟计算的相应材料参数，进行重新分析计算，得出应力结果再跟规范中的设计强度值进行比较验算，直到满足设计要求为止。

　　（3）为了降低工程的造价，坝体部分混凝土结构也可以采取局部加强的办法。或提高局部混凝土的强度等级，或局部配置足够钢筋。

五、结论：

　　本文介绍了坝体工程力学问题的简化方法，用这种方法计算，结果满足工程设计的要求，并通过介绍Ansys有限元软件对坝体力学简化模型的计算分析过程，给出了设计人员在进行设计计算时的一般过程。

参考文献：

1.徐芝纶，弹性力学简明教程，高等教育出版社，2001年7月

2.李权，Ansys在土木工程中的应用，人民邮电出版社，2005年6月