有缝重力坝静动力有限元仿真分析
摘要
重力坝是水利工程中非常重要的筑坝型式，由于其安全可靠，施工技术简单，对地质要求不高等显著优点，在国内外被广泛采用。重力坝的应力和稳定性分析是进行其它设计的基础，是整个设计的重要组成部分。传统的计算方法适应性差，已不能满足设计需要。随着有限元理论的完善和仿真软件的不断发展，采用有限元软件对重力坝进行仿真模拟具有重要的工程意义和实用价值。
本文综述了重力坝的各种分析方法，简要阐述了重力坝有限元分析方法的基本原理。介绍了ANSYS程序结构及其分析的基本过程，重点讨论了ANSYS的模型建立和网格划分，初步分析了四面体和六面体单元对计算精度的影响，并对六面体网格划分方法进行了深入的研究。
结合实际工程，采用ANSYS软件对有缝重力坝结构进行三维有限元计算，对其结构性能进行分析。在计算过程中，考虑了混凝土分区和计算网格精度的影响，并较为系统地研究了混凝土重力坝在建立模型、有限元网格划分以及有限元计算和分析中的各种问题，采用混合网格划分方式实现了对复杂结构的六面体网格划分。
对ANSYS软件中关于接触问题的计算方法进行了详细研究，并通过数值算例的计算分析，对ANSYS采用接触单元模拟接缝的可行性问题进行了探讨。利用接触单元和单元结点耦合方法对接缝和键槽的作用分别进行了模拟。结合实际工程中的不同工况，对某堰闸坝结构的应力和变位进行计算，分析了坝体的应力和变形的分布规律，并重点研究了坝内孔道、闸墩等部位的应力分布状态和坝体局部应力集中，并对应力集中问题提出了具体的处理方法。研究结果为实际工程的设计提供了重要的技术依据。本文结合现有的美国坝工设计规范，对坝体的抗滑和抗倾覆稳定性问题进行了分析，该分析方法对于同类的大体积混凝土结构的抗滑和抗倾覆稳定性分析具有一定的参考价值。
Gravity dam is an important structure form in water works. It is widely used in the whole world because of its many advantages such as safety and stability, easy techniques in construction, lower geological requirement and etc. As the foundation of other analysis in gravity dam's designment, stress and stability's analysis is an significant segment. Traditional calculating methods have lower adaptability and can't meet the demand of designment. With the development of FEM theory and simulating software, FEM software's simulation to gravity dam has great engineering signality and practical value.
After Summing up vary kinds of analyzing methods, the FEM theories to the gravity dam are expatiated briefly. Introduced the makeup and analysis procedure of ANSYS software, and the calculating precision difference between tetrahedron element and hexahedron element are discussed, and thorough research are made to the hexahedron mesh method.
FEM software ANSYS is adopted to simulate a gravity dam, which is of a real project item. In the simulating process, the concrete classify and mesh precision are take into account, the research outspread in modeling, meshing and other problems in the FEM calculating and analysis, using mixing-mesh method, complex structure's hexahedron meshing is accomplished.
The calculating methods to the problem of contact in ANSYS program are studied, and the contact suture and key groove are stimulated in ANSYS program and analyzed their feasibility by examples. Contact elements and couple method are both used in simulating contact suture and compared the difference. Combine with engineering project of a weir-gate-dam, the stress and deforming are studied in different working condition under complicated loadings, the stress distribution in the cavities and piers are studied with special care, stress concentration problems are studied and a treatment method are carried out.The researching results provide significant technical warranties for the project designment. Take into account the U.S. dam design regulation, the sliding and overturning stability of the dam are calculated, thus have great referenced value to similar dam works' stability analysis.
本文综述了重力坝的各种分析方法，简要阐述了重力坝有限元分析方法的基本原理。介绍了ANSYS程序结构及其分析的基本过程，重点讨论了ANSYS的模型建立和网格划分，初步分析了四面体和六面体单元对计算精度的影响，并对六面体网格划分方法进行了深入的研究。
结合实际工程，采用ANSYS软件对有缝重力坝结构进行三维有限元计算，对其结构性能进行分析。在计算过程中，考虑了混凝土分区和计算网格精度的影响，并较为系统地研究了混凝土重力坝在建立模型、有限元网格划分以及有限元计算和分析中的各种问题，采用混合网格划分方式实现了对复杂结构的六面体网格划分。
对ANSYS软件中关于接触问题的计算方法进行了详细研究，并通过数值算例的计算分析，对ANSYS采用接触单元模拟接缝的可行性问题进行了探讨。利用接触单元和单元结点耦合方法对接缝和键槽的作用分别进行了模拟。结合实际工程中的不同工况，对某堰闸坝结构的应力和变位进行计算，分析了坝体的应力和变形的分布规律，并重点研究了坝内孔道、闸墩等部位的应力分布状态和坝体局部应力集中，并对应力集中问题提出了具体的处理方法。研究结果为实际工程的设计提供了重要的技术依据。本文结合现有的美国坝工设计规范，对坝体的抗滑和抗倾覆稳定性问题进行了分析，该分析方法对于同类的大体积混凝土结构的抗滑和抗倾覆稳定性分析具有一定的参考价值。
Gravity dam is an important structure form in water works. It is widely used in the whole world because of its many advantages such as safety and stability, easy techniques in construction, lower geological requirement and etc. As the foundation of other analysis in gravity dam's designment, stress and stability's analysis is an significant segment. Traditional calculating methods have lower adaptability and can't meet the demand of designment. With the development of FEM theory and simulating software, FEM software's simulation to gravity dam has great engineering signality and practical value.
After Summing up vary kinds of analyzing methods, the FEM theories to the gravity dam are expatiated briefly. Introduced the makeup and analysis procedure of ANSYS software, and the calculating precision difference between tetrahedron element and hexahedron element are discussed, and thorough research are made to the hexahedron mesh method.
FEM software ANSYS is adopted to simulate a gravity dam, which is of a real project item. In the simulating process, the concrete classify and mesh precision are take into account, the research outspread in modeling, meshing and other problems in the FEM calculating and analysis, using mixing-mesh method, complex structure's hexahedron meshing is accomplished.
The calculating methods to the problem of contact in ANSYS program are studied, and the contact suture and key groove are stimulated in ANSYS program and analyzed their feasibility by examples. Contact elements and couple method are both used in simulating contact suture and compared the difference. Combine with engineering project of a weir-gate-dam, the stress and deforming are studied in different working condition under complicated loadings, the stress distribution in the cavities and piers are studied with special care, stress concentration problems are studied and a treatment method are carried out.The researching results provide significant technical warranties for the project designment. Take into account the U.S. dam design regulation, the sliding and overturning stability of the dam are calculated, thus have great referenced value to similar dam works' stability analysis.
引文
[1] 潘家铮．重力坝设计．水利电力出版社．1987年12月．第一版
[2] 王世夏．水工设计的理论和方法．中国水利水电出版社．2000年7月
[3] 三峡工程进展情况．水利水电科技进展．1999年10月第19第5期
[4] 大体积混凝土．水利水电科学研究院结构材料研究所．水利电力出版社．1990年1月
[5] 朱伯芳．大体积混凝土温度应力与温度控制．中国电力出版社．1998
[6] 刘宁，刘光庭．大体积混凝土结构随机温度徐变应力计算方法研究．水利学报．1997, (3)：189～202
[7] 王世夏．水工设计的理论和方法．中国水利水电出版社．2000年7月第一版
[8] 朱伯芳．朱伯芳院士文选．中国电力出版社．1997
[9] 胡杰安．混凝土拱坝及重力坝坝体接缝设计与构造．北京：水利电力出版社．1986
[10] 李建新，王光纶，金峰．横缝接合质量对拱坝受力的影响．水力发电．2001，(10)：45～48
[11] 赵代深．混凝土坝浇筑块长度三维仿真敏感分析．水利学报．2001，(5)：89～95
[12] 候朝胜，赵代深，李梅杉．混凝土拱坝横缝三维仿真计算研究．水利水电技术．2000．8
[13] 朱伯芳，王同生，丁宝瑛，郭之章．水工混凝土结构的温度应力与温度控制．水利电力出版社．1976．9
[14] 包大范．沙溪口溢流坝泄洪消能设计．水力发电．1994年(6)．41～44
[15] 樊启祥，曾国顺．岩滩水电站碾压混凝土围堰施工．中国三峡建设 2002年05期
[16] 王永存，阎俊如，薛永生．观音阁水库碾压混凝土坝的设计．水利水电技术 1995年08期
[17] 丁宝瑛等．岩滩水电站碾压混凝土围堰温度应力及裂缝调查，水力发电，1989，(9)：24～32
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[22] 刘光廷，麦家煊，张国新．溪柄碾压馄凝土薄拱坝的研究．水力发电学报．1997，
(2)．19-28。
[23] 张涛，黄达海，王清湘，宋玉普．沙牌碾压混凝土拱坝温度徐变应力仿真计算．水利学报．2000，(4)：1～7
[24] 高政国，黄达海，赵国藩．沙牌碾压混凝土拱坝温度场仿真计算．大连理工大学学报．2001，41(1)：1 16～122
[25] 黄达海，高政国，宋玉普．沙牌碾压混凝土拱坝损伤开裂分析．大连理工大学学报．2001，41(2)：245～248
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[40] 杜成斌，赵光恒．带横缝拱坝的非线性地震响应[J]．水利学报．1995(5)：22-28
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