某拱坝基本荷载作用下应力应变仿真研究

【摘 要】为某拱坝设计提供设计依据，应用有限元分析软件对拱坝坝体进行某一工况基本组合下的动静力分析，对照仿真结果，得出红设计的合理性和安全性。

【关键词】拱坝；仿真；动静力可进行结构分析（包括线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力，其计算分析功能十分强大，同时具有较强的前、后处理功能，可节省用户大量时间。ANSYS软件是第一个通过ISO9001质量认证的大型分析设计类软件，是美国机械工程师协会（ASME）、美国核安全局（NQA）及近二十种专业技术协会认证的标准分析软件。

3 计算假定、计算模型

3.1 计算假定

(1)假定材料为均质弹性、各向同性的连续体，不考虑混凝土的应力重分布。

(2)坝基按照无质量地基考虑。

3.2 计算模型

选取整个坝段进行计算，地基向上游延伸40.0m，向下游延伸80.0m，基础向下延伸100m，左右坝肩各延伸100m。坝段基础面按设计开挖线考虑。计算模型应用的坐标系为：水流方向为X轴方向，向下游为正；铅直方向为Y轴方向，向上为正；坝轴线方向为Z轴方向，向右岸为正。整体坐标系原点取在坝顶水平拱圈圆心处。

计算单元划分基本采用八节点六面体实体单元，部分可通过四面体实体单元过渡。节点和单元总数分别为133152个和121103个。有限元计算模型见图1。图1 大坝整体有限元模型单元剖分图

3.3 边界条件

为了既能确保计算结果的可靠性和计算精度，又能减少计算过程中的不必要的繁琐，对结构的边界条件做了一些适当的、符合实际情况的假定及简化。地基底面固端约束处理，上游面和下游面为法向约束，左右面为法向约束。

3.4 荷载施加

本次计算中荷载施加方式如下所述。（1）自重

根据混凝的重度，按惯性力9.8m/s2施加在计算模型上；地基自重不考虑。

（2）静水压力

在坝体上游面，按上游水位施加静水压力；坝体下游面，按下游水位施加静水压力。水压力以函数形式施加在坝体上、下游面水压力函数为0.01×(y1-y)MPa,其中，y计算点的Y向坐标，y1为水面线的Y向坐标。

按上述方式施加静水压力后，不再考虑其它水力作用。

（3）扬压力

按《混凝土拱坝设计规范（SL282-2003）》规定，渗透压力折减系数α=0.25。

（4）泥沙应力

泥沙压力按浮容重计算，与上游面静水压力叠加，施加到上游面。

（5）温度荷载

按《混凝土拱坝设计规范（SL282-2003）》规定，拱坝运行期温度荷载按公式（3-1）、公式（3-2）计算：

4.1.1计算成果

考虑了自重、正常蓄水位静水压力、扬压力、泥沙压力、冰压力、正常温降。主要研究新方案拱坝在正常温降情况下坝体的应力分布。计算成果提供了拱坝坝体X向、Y向、Z向的位移云图、拱坝上、下游面主拉应力、主压应力云图。位移和位移和应力分布情况见附图2。

4.1.2计算成果分析

由位移云图可知；X向拱冠梁向下游位移，拱冠梁顶部最大位移值为20.9mm。Y向拱坝整体向坝基方向位移，最大值为8.1mm（。Z向拱坝左、右坝肩向坝中心方向位移，最大值为5.1mm。

拱坝上游面主拉应力主要分布范围为坝顶左、右坝肩处0+000～0+014m、0+145～0+169、高程1119～1146m，以及坝体与坝基连接处部位，其值大于1.5MPa；上游面主压应力主要分布在拱坝上游面中心部位，其值不大于2.0MPa。

拱坝下游面主拉应力在坝体下游面中下部局部范围内出现大于1.5MPa的拉应力；下游面主压应力在坝体与坝基连接处部位出现5.0MPa的压应力。

作者简介：

沙玉霞 女 银川市水电勘测设计院

750004