【摘要】采用ANSYS結(jié)構(gòu)分析軟件，通過對(duì)某小型混凝土重力壩工程進(jìn)行有限元靜力和模態(tài)分析，研究探討了壩體在滿庫工況下的變形和應(yīng)力分布，以了解壩體在工況下的工作形態(tài)。同時(shí)，進(jìn)行高階模態(tài)分析，了解壩體的自振頻率和振型并進(jìn)行簡(jiǎn)單分析，最后做總結(jié)
【關(guān)鍵詞】ANSYS軟件 靜力分析 模態(tài)分析 混凝土重力壩
1 前言
我國(guó)土地遼闊，水資源豐富，可以開發(fā)的水電容量約為3.78億KW，據(jù)世界第一位。目前我們已經(jīng)修建了如三峽、小浪底等大型水利水電工程，而這些工程也在我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮了巨大的作用。建國(guó)以來，隨著技術(shù)的提高，各種各樣型式的重力壩在壩工設(shè)計(jì)中占了很大的比重。重力壩是一種主要依靠壩體自重產(chǎn)生的抗滑力來維持自身穩(wěn)定的壩型。近年來，混凝土重力壩在重力壩中所占的比重越來越大。混凝土重力壩以具有安全可靠，耐久性好，抵抗?jié)B漏、設(shè)計(jì)和施工技術(shù)簡(jiǎn)單，易于機(jī)械化施工、對(duì)不同的地形和地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用[1]。但由于許多壩都是建立在地震多發(fā)和高烈度地區(qū)，一旦遭到破壞將會(huì)帶來難以估計(jì)的經(jīng)濟(jì)和損失，因此對(duì)大壩做模態(tài)分析，計(jì)算分析它的固有頻率和振型，為重力壩的抗震穩(wěn)定性分析奠定基礎(chǔ)。
2 有限元模型建立
某工程非溢流混凝土重力壩，高17米，寬24米，頂寬5米。上游面坡度為1：0，下游面坡度為1：0.8[2]。假設(shè)大壩的基礎(chǔ)是嵌入到基巖中，地基是剛性的。大壩采用的材料參數(shù)為：彈性模量E=3.5GPa，泊松比ν=0.2，容重γ=25KN/m3。水的質(zhì)量密度1000kg/m3。模型見圖一
2.1靜力分析
SOLID186是一個(gè)高階3維20節(jié)點(diǎn)固體結(jié)構(gòu)單元，SOLID186具有二次位移模式可以更好的模擬不規(guī)則的網(wǎng)。本文使用SOLID186單元進(jìn)行數(shù)值模擬分析。按照滿庫狀態(tài)施加荷載，基礎(chǔ)是剛性，底面施加約束，對(duì)整個(gè)重力壩施加重力荷載，然后求解分析。分析結(jié)果見圖二、圖三、圖四、圖五。
從圖二中可看出X方向的最大位移是0.119mm，位置在壩頂；最小位移是0.00104mm，位置在壩底部。從圖三中看出y方向的最小位移是0.117mm，位置在壩底部。從圖四中看出z方向的最大位移和最小位移相差不大且數(shù)值很小，基本可以忽略。根據(jù)x，y，z方向的位移圖可以看出，在滿庫狀態(tài)下，壩沿著河流方向以及豎直方向的位移是在安全范圍之內(nèi)的。從圖五中看出最小應(yīng)力集中在壩頂部分，最大位移集中在壩踵處，符合實(shí)際。
2.2模態(tài)分析
模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性一種近代方法，是系統(tǒng)辨別方法在工程振動(dòng)領(lǐng)域中的應(yīng)用。本文在靜力分析的基礎(chǔ)上，選用Block Lanczos方法進(jìn)行模態(tài)分析。
根據(jù)表一可得出1.一到十階振型的頻率一直增大；2.壩體振動(dòng)有六個(gè)振型方向是沿著x方向，即順著河流方向。3. 壩體振動(dòng)有y方向和z方向都有兩個(gè)；4.六階和七階振型的頻率很相近，需要注意。
3 結(jié)論
在上述的條件下，通過有限元的分析，我們可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論和建議：
�。�1）在靜力荷載下，壩xyz三個(gè)方向的位移都不大，壩體安全可靠。
�。�2）在靜力荷載下，壩體順著x方向即河流方向應(yīng)力主要是壓應(yīng)力，在壩踵出出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)，符合實(shí)際。
�。�3）基于靜力分析的荷載條件下，進(jìn)行了高階模態(tài)分析，總體自振頻率提高。在六階和七階出現(xiàn)相似頻率，有兩種處理結(jié)果：a.認(rèn)為是不同的兩階振型，按兩種頻率分析。b.認(rèn)為是同一階頻率，是按照不同方向的振動(dòng)。本文中按照b類處理
本文通過ANASYS軟件模擬混凝土壩靜力分析，分析得出壩體安全可靠。再通過高階模態(tài)分析，得出其自振頻率和振型，為其后的抗震穩(wěn)定性分析奠定基礎(chǔ)。希望對(duì)重力壩抗震方面有指導(dǎo)意義。
參考文獻(xiàn)
[1]潘家錚.重力壩設(shè)計(jì)[M].北京：水利電力出版社，1985
[2]DL5108-1999，混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S].
