基于ANSYS的阿海水電站靜動力分析

1、基于ANSYS的阿海水電站混凝土碾壓重力壩靜動力分析鄒小紅1，于躍2，張彩秀21河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，江蘇 南京 （210098） 2昆明勘測設(shè)計研究院，云南 昆明 （650051）摘要：采用大型通用軟件ANSYS，通過對阿海水電站碾壓混凝土重力壩方案各壩段分別進行平面有限元靜力和動力分析，及靜動結(jié)果疊加分析，探討了壩體及基礎(chǔ)在各種工況下的變形和應(yīng)力規(guī)律，了解壩體和基巖在設(shè)計條件下的工作形態(tài)，對方案的可靠性進行了評價。關(guān)鍵詞:ANSYS，靜力分析，動力分析，譜分析，模態(tài)分析中圖分類號：TV311 TV3121.工程概況阿海水電站是以發(fā)電為主，兼有庫區(qū)航運、水土保持和旅游等綜合效益的大型水電水

2、利工程。電站正常蓄水位1504.00，相應(yīng)庫容8.06×1083，校核洪水位1507.23m，相應(yīng)庫容8.82×108m3，有效庫容1.06×108m3，具有日調(diào)節(jié)性能。工程布置推薦方案的最大壩高138m，裝機容量2000MW（5×400MW）。根據(jù)防洪標(biāo)準(zhǔn)（GB50201-94）及水電樞紐工程等級劃分及設(shè)計安全標(biāo)準(zhǔn)（DL5180-2003）的規(guī)定，本工程按庫容確定的工程等別為二等工程，工程規(guī)模為大（2）型；安裝機容量確定的工程等別為一等工程，工程規(guī)模為大（1）型。由于本工程位于金沙江干流上，工程總體規(guī)模較大，故最終確定為一等大（1）型工程，其主要水工建

3、筑物大壩、泄洪、沖沙建筑物和引水發(fā)電建筑物屬1級建筑物，結(jié)構(gòu)安全級別為級。壩趾區(qū)基本烈度為7度，設(shè)計地震烈度采用8度。2 計算內(nèi)容及方法2.1 計算內(nèi)容通過阿海重力壩方案進行線性靜動力有限元分析，給出壩體及基礎(chǔ)在靜動力荷載作用下的位移場與應(yīng)力場等，以了解壩體和基巖在設(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。靜力分析，采用線彈性材料進行模擬；動力分析，采用DL5073-1997水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范中所規(guī)定的振型分解反應(yīng)譜法按彈性材料進行計算5。2.2 計算工況計算考慮正常蓄水位工況、設(shè)計洪水位工況、校核洪水位工況、施工期工況和地震工況，各工況荷載組合見表13,4。表1 計算工況

4、及荷載組合計算工況壩體自重靜水壓力(m揚壓力泥沙壓力浪壓力上游水位下游水位廠房下游水位基本組合正常蓄水位1504.001411.866（1.5臺機）1411.866（1.5臺機）設(shè)計洪水位(P=0.21504.001436.1581434.723施工期工況-偶然組合校核洪水位(P=0.021507.231439.8001437.297地震工況正常蓄水位工況地震作用2.3計算模型結(jié)合壩體結(jié)構(gòu)及壩址地質(zhì)情況選取非溢流壩段、溢流壩段、廠房壩段及左沖沙底孔壩段四個壩段進行有限元分析，有限元模型見圖1。模型的邊界范圍：壩體上、下游及壩底分別延伸2倍壩高。約束條件：上、下游兩側(cè)施加法向約束，底部施加全約束

5、。坐標(biāo)規(guī)定為：X為順河向，上游指向下游為正；Y為豎直方向，向上為正；Z為橫河向，左岸指向右岸為正。非溢流壩段溢流壩段廠房壩段左沖沙底孔壩段圖1 有限元模型2.4 計算地震分析方法重力壩的地震分析一般有動力法和靜力法，本次計算采用動力法中的振型分解反應(yīng)譜法進行重力壩的地震動力分析。它考慮了地震時地面的運動特性與結(jié)構(gòu)自身的動力特性，是當(dāng)前工程設(shè)計應(yīng)用最為廣泛的抗震設(shè)計方法。振型分解反應(yīng)譜理論假設(shè)結(jié)構(gòu)物最不利地震反應(yīng)為其最大地震反應(yīng)，這樣就可以一次求出最大地震內(nèi)力或位移，節(jié)約了大量的計算時間和計算量，提高了計算效率。反應(yīng)譜是將具有不同自振周期的單質(zhì)點在許多地震過程中的最大反應(yīng)值加以均化后按自震周期繪

6、制的曲線。反應(yīng)譜法的分析步驟主要是兩部分:首先是建立模型后求得模態(tài)解，得到體系的自振頻率和振型；然后將模態(tài)分析的結(jié)果同輸入的加速度譜聯(lián)系起來求解結(jié)構(gòu)對應(yīng)其各階振型的地震作用效應(yīng)后，再組合成結(jié)構(gòu)的總地震作用效應(yīng)。振型組合采用“SRSS”方式，計算考慮前10階振型。壩體在地震作用下發(fā)生振動時，庫水在上游壩面將產(chǎn)生動水壓力，這相當(dāng)于增加了壩體運動的慣性力，從而加大了地震荷載。所以需要考慮動水壓力，按規(guī)范要求采用附加質(zhì)量法進行，壩面附加質(zhì)量按下式計算2。式中：Pw(h為地震動水壓力；ah為地震加速度水平向代表值；w為水體質(zhì)量密度；H0為水深；阻尼比采用Rayleigh比例阻尼假定，阻尼系數(shù)=0.05。

7、本次計算中同時計入水平向和豎向地震作用。計算參數(shù)如下：水平向設(shè)計地震加速度代表值ah0.344g，豎向設(shè)計地震加速度代表值av2*ah/3；特征周期Tg0.2（級場地）；設(shè)計反應(yīng)譜最大值的代表值max2.0。動彈性模量為靜彈性模量的1.3倍。根據(jù)水工建筑物設(shè)計規(guī)范（DL50732000），總的地震作用效應(yīng)為豎向地震作用效應(yīng)乘以0.5的遇合系數(shù)后與水平向地震作用效應(yīng)直接相加。3 靜力計算結(jié)果分析3.1 靜態(tài)位移場壩體順河向位移：在正常蓄水位工況、設(shè)計洪水位工況及校核洪水位工況中，壩體在上游水壓力的作用下傾向下游，各壩段的最大順河向位移均在壩頂下游側(cè)角點，且均發(fā)生在校核洪水位工況，廠房壩段位移值最

8、大，為5.45cm。在施工期工況中，壩體均傾向上游，各壩段的最大位移均出現(xiàn)在壩頂上游側(cè)角點，左沖沙底孔壩段最大，為-1.33cm。壩體豎向位移：在正常蓄水位工況、設(shè)計洪水位工況及校核洪水位工況中，除了溢流壩段豎直向最大沉降出現(xiàn)在校核水位工況外，其它各壩段均在正常蓄水位工況下沉降較大，廠房壩段最大，為-3.73cm。在施工期工況中，各壩段的最大沉降均出現(xiàn)在壩頂上游側(cè)角點，廠房壩段最大，為-3.80cm。3.2 靜態(tài)應(yīng)力場豎向正應(yīng)力：在正常蓄水位工況、設(shè)計洪水位工況及校核洪水位工況中，各壩段壩踵均有拉應(yīng)力集中現(xiàn)在，廠房壩段拉應(yīng)力最大，為1.73MPa，拉應(yīng)力寬度為2.9，且不超過上游帷幕；溢流壩段

9、拉應(yīng)力寬度最大，為4.7，但未超過上游帷幕。在上述三個工況中，各壩段壩趾均出現(xiàn)壓應(yīng)力集中現(xiàn)在，但在應(yīng)力集中區(qū)域之外，壩基壓應(yīng)力均小于其承載力。廠房壩段豎向應(yīng)力最大，發(fā)生在校核洪水位工況，為-8.46MPa，在距壩趾4m處折減為-3.05MPa。在施工期工況中，壩基均為壓應(yīng)力，且壩踵比壩趾大，廠房壩段壩踵處最大，為-4.77MPa。垂直巖層方向壓應(yīng)力：在正常蓄水位工況、設(shè)計洪水位工況、校核洪水位工況及施工期工況中，各壩段在壩趾附近壓應(yīng)力較集中，但在應(yīng)力集中區(qū)域之外，壩基壓應(yīng)力均小于其承載力。廠房壩段最大，發(fā)生在校核洪水位工況，為-12.00MPa，距廠壩分縫處約4m處折減為-4.44MPa。4

10、動力計算結(jié)果分析4.1 模態(tài)分析用于確定結(jié)構(gòu)或機器部件的振動特性(固有頻率和振型。一般來說，n個自由度體系就有n個自振頻率，相應(yīng)地有n個主振型。但這n個主振型中一般只有前幾個是起決定作用的。為了計算準(zhǔn)確，求出了滿庫和空庫情況下的前10階自振頻率，各壩段的結(jié)果如表2所示。由于庫水動水壓力的作用，滿庫時頻率比空庫時頻率小1。表2 各壩段的自振頻率階數(shù)壩段12345678910非溢流壩段滿庫2.274.605.8910.9316.2518.4622.4927.3427.3428.47空庫2.835.696.9713.3021.3523.1531.9134.4839.1640.86溢流壩段滿庫2.42

11、4.205.9510.5314.0016.8117.5918.8419.4523.37空庫3.175.317.2112.7717.3119.0823.9825.8530.7132.10左沖沙底孔壩段滿庫1.763.164.407.0910.5011.6814.5715.1116.5617.14空庫2.243.955.218.3914.4714.8219.0821.1222.3125.03廠房壩段滿庫1.502.632.943.955.375.727.388.2310.9011.13空庫2.003.003.334.605.646.229.0311.5713.4213.834.2 動態(tài)位移場如下表

12、3所示，各壩段最大順河向動位移均出現(xiàn)在壩頂，其中廠房壩段的順河向位移最大，達到5.29cm，并且各壩段的順河向位移從壩頂至壩基位移逐漸減小；各壩段最大豎向動位移都出現(xiàn)在壩的上游側(cè)壩體的上部位置處，其中廠房壩段的豎向位移最大，達到2.31cm，并且各壩段的豎向位移從上游至下游位移逐漸減小。表3 各壩段最大動位移匯總 （單位：cm）壩 段順河向動位移豎直向動位移最大值位置最大值位置非溢流壩段3.14壩頂1.45壩頂上游側(cè)角點溢流壩段2.94同上1.45閘墩上游側(cè)左沖沙底孔壩段4.33同上2.07壩頂上游側(cè)角點廠房壩段5.29同上2.31攔污柵平臺4.3 動態(tài)應(yīng)力場表4列出了各壩段的最大動應(yīng)力值。在

13、僅考慮地震單獨作用時，各項動應(yīng)力的最大和最小值，基本出現(xiàn)在壩體表面上，壩體內(nèi)部的動應(yīng)力均相對較小。壩體水平地震動應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在上下游邊緣處，且在壩體內(nèi)部自下而上逐漸增大。壩體豎向地震動應(yīng)力的最大值也出現(xiàn)在上下游邊緣處，且在壩體內(nèi)部自下而上逐漸減小。在壩踵與壩趾處應(yīng)力達到最大值，其中廠房壩段處應(yīng)力值最大，順河向動應(yīng)力最大值為3.84MPa，豎向動應(yīng)力最大值為7.94MPa，剪向動應(yīng)力最大值1.46MPa。表4 各壩段最大動應(yīng)力值匯總 （單位：MPa）壩段順河向動應(yīng)力豎直向動應(yīng)力剪動應(yīng)力最大值位置最大值位置最大值位置非溢流壩段1.48壩趾3.77壩踵0.86壩踵溢流壩段3.61壩踵5.81同上

14、1.23壩踵左沖沙底孔壩段3.84壩趾6.35同上1.12壩踵廠房壩段5.86壩趾7.94同上1.46壩踵4.4 靜動疊加結(jié)果分析在線彈性范圍內(nèi)，動力作用下的位移曲線疊加靜力作用下的位移就得到動靜響應(yīng)組合的位移曲線，即通過分別計算靜力荷載及動力荷載作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，然后將它們線性疊加作為總的內(nèi)力即靜態(tài)結(jié)果加上動態(tài)結(jié)果與靜態(tài)結(jié)果減去動態(tài)結(jié)果6。將靜態(tài)與動態(tài)分析成果疊加后，各壩段的位移均有所增大。各壩段最大順河向位移都出現(xiàn)在壩頂處，并且各壩段的順河向位移從壩頂至壩基位移逐漸減?。桓鲏味蔚呢Q向位移從上游至下游位移逐漸減??；廠房壩段的順河向位移最大，為10.42cm，出現(xiàn)在壩頂。廠房壩段的豎向位移最大

15、，為-4.93cm，出現(xiàn)在壩趾處。各壩段在角點處均出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，且遞減梯度較大，集中區(qū)域外應(yīng)力值均在常規(guī)范圍內(nèi)。順河向動應(yīng)力：各壩段的最大順河向拉應(yīng)力均出現(xiàn)在壩踵處，各壩段最大壓應(yīng)力均出現(xiàn)在壩趾處，廠房壩段的順河向動應(yīng)力最大，最大拉應(yīng)力為7.95MPa，最大壓應(yīng)力為-15.69MPa。豎向動應(yīng)力：各壩段的豎向最大拉應(yīng)力均出現(xiàn)在壩踵處，各壩段最大壓應(yīng)力均出現(xiàn)在壩趾處，廠房壩段的豎向動應(yīng)力最大，最大拉應(yīng)力為9.23MPa，最大壓應(yīng)力為-13.86MPa。剪應(yīng)力：各壩段的最大剪應(yīng)力均出現(xiàn)在壩趾處，各壩段最小剪應(yīng)力均出現(xiàn)在壩踵處，廠房壩段的剪應(yīng)力在壩踵和壩趾處最大，剪應(yīng)力在壩踵處最大值為-1.84

16、MPa。5 結(jié)論(1在靜荷載作用下，各壩段的位移場、應(yīng)力場符合相應(yīng)的計算荷載條件和壩基地質(zhì)條件，符合一般規(guī)律，且設(shè)計洪水位工況、校核洪水位工況與正常蓄水位工況的應(yīng)力場、位移場分布規(guī)律及變化趨勢基本一致，所不同的僅僅是具體應(yīng)力值和位移值。壩踵處豎直向應(yīng)力均為拉應(yīng)力，其拉應(yīng)力值并不大，而最大豎向應(yīng)力則較大，使壩踵處產(chǎn)生了開裂，但開裂區(qū)域并不大，在不同壩型和工況下，拉應(yīng)力寬度都小于規(guī)范規(guī)定的0.07，并且壩趾處的壓應(yīng)力并不大，能夠滿足混凝土的抗壓要求。(3總體上來講，這4種壩型的設(shè)計是基本符合設(shè)計規(guī)范要求的，壩體的壓應(yīng)力遠小于混凝土材料的抗壓強度，在靜荷載作用下，壩踵處的受拉區(qū)域也滿足設(shè)計規(guī)范要求。

17、靜動疊加后各壩段的拉應(yīng)力區(qū)較大，特別是壩踵處和壩趾，及角點處拉應(yīng)力較大，在這些部位應(yīng)采取一些結(jié)構(gòu)措施。參考文獻1 荊旭春，等.寶泉電站下水庫重力壩地震動力響應(yīng)分析J.人民黃河，2006，28(5：5660.2 羅業(yè)輝，趙海濤, 鄧仕濤.應(yīng)用ANSYS軟件進行碾壓混凝土重力壩非線性有限元靜力和動力J.西北水電，2005，(：1822.3 中華人民共和國電力工業(yè)部混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范DL5108-1999S.北京：中國水利水電出版社，19994 中華人民共和國電力工業(yè)部水工建筑物荷載設(shè)計規(guī)范DL5077-1997S.北京：中國水利水電出版，19975 中華人民共和國電力工業(yè)部水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范

18、DL5073-1997S.北京：中國水利水電出版，19976關(guān)淑萍基于ANSYS水閘動力我特性及內(nèi)力分析方法研究D河海大學(xué)碩士論文，2006.5The Static and Dynamic Analysis of AHai Hydropower Station RCC Gravity Dam based on ANSYSZou Xiao-hong1, Yu Yue2, Zhang Cai-xiu21 College of Water Conservancy & Hydropower Engineering , Hohai University,Nanjing, PRC, 2100982 Kunming Hyd