基于Ansys对于坝体的三种工况研究

1、基于Ansys对于坝体的研究分析报告坝体及相关建筑在使用过程中，会承受如重力、净水压力、淤泥荷载、浪压力、扬压力等各种作用，而我们在设计、建造这个建筑之前，要分析其产生的应力、应变进而选取材料和校核材料的安全性。为分析所需，基于Ansys软件建立相应的模型，并施加荷载和作用，在三种工况下校核结构的安全性。一：分析对象1：坝体的几何参数：2：基岩的几何参数：二：作用及荷载（1） 约束基岩左右两端受x方向的位移约束，基岩下端受x、y两个方向的位移约束。（2）静水压力正常蓄水位高程91.75m，防洪高水位97m，校核洪水位101m。对应下游水位分别为15m，20m和25m。（3）泥沙荷载坝前泥沙淤积

2、高程： 25m。坝前泥沙浮容重：6.0kN/m3，淤沙内摩擦角：12°。坝面上单位宽度上的泥沙压力为式中： 淤沙压力标准值（KN/m）；泥沙的浮容重，取6kN/m3；泥沙淤积深度（m）；淤沙的内摩擦角，12°。（4）浪压力50年一遇计算风速21m/s，多年平均最大风速14m/s，有效吹程1km。（5）扬压力取渗透压力强度系数0.25，帷幕中心线坐标X=10m。三：选用单元及划分网格1) 单元选择：Solid Quad 4node 42 2) 材料参数：坝体和基岩分别设置，见上图。3) 划分网格：坝体部分-外围线按1m每格划分，整体按自由网格划分。基岩部分-靠近坝体网格密集，

3、坝基面水平线上基岩外围线按20份、4的比率划分；垂直地表的按20份、0.25的比率划分；基底均分。整体基岩自由网格划分。四：三种工况的具体Ansys设置1) 正常蓄水位（其中括号内为承载能力极限状态时的分项系数）上游水位高程为91.75m，下游水位高程为15m。（1） 上下游静水压力（分项系数为1.0）gradient 斜率为-9810 沿y轴方向，分别取91.75m和15m在各自位置。（2） 重力（分项系数为1.0）在y轴方向上g=9.81 m/s2 方向向上（3） 淤泥压力（分项系数为1.2）计算得：s*tan2(45o-2)=3934.5所以gradient斜率设置为-3934.5，y轴

4、方向，淤泥高度为25m。（4） 渗透压力（分项系数为1.2）H=91.75-15=76.75m在（0，0，0）到（10，0，0）之间 gradient斜率设置为 -9810*0.75*76.75/10（10，0，0）处的力为 9810*0.25*76.75N在（10，0，0）到（70，0，0）之间gradient斜率设置为 -9810*0.25*76.75/60（10，0，0）处的力为 9810*0.25*76.75N（5） 浮托力（分项系数为1.2）在坝体下端所有点上均匀受力 大小为 gh2=9810*15N（6） 浪压力（分项系数为1.2）其中速度取21m/s 有效吹程取1000mh1=0

5、.0166*v054*D13=0.7462mLm=10.4*h10.8=8.2284m g*Dv02=22.2 因为22.2在20-250之间，所以 h1%=1.24h5%=0.9253mhz=*h1%2Lmcth2*HLm=0.2126m继而得到浪压力为 *Lm4*h1%+hz=22962.99N2) 防洪高水位（其中括号内为承载能力极限状态时的分项系数）上游水位高程为97m，下游水位高程为20m。（1） 上下游静水压力（分项系数为1.0）gradient 斜率为-9810 沿y轴方向，分别取97m和20m在各自位置。（2） 重力（分项系数为1.0）在y轴方向上g=9.81m/s2 方向向上

6、（3） 淤泥压力（分项系数为1.2）计算得：s*tan2(45o-2)=3934.5所以gradient斜率设置为-3934.5，y轴方向，淤泥高度为25m。（4） 渗透压力（分项系数为1.2）H=97-20=77m在（0，0，0）到（10，0，0）之间 gradient斜率设置为 -9810*0.75*77/10 （10，0，0）处的力为9810*0.25*77N在（10，0，0）到（70，0，0）之间 gradient斜率设置为-9810*0.25*77/60 （10，0，0）处的力为9810*0.25*77N（5） 浮托力（分项系数为1.2）在坝体下端所有点上均匀受力 大小为 gh2=9

7、810*20N（6） 浪压力（分项系数为1.2）其中速度取21m/s 有效吹程取1000mh1=0.0166*v054*D13=0.7462mLm=10.4*h10.8=8.2284m g*Dv02=22.2 因为22.2在20-250之间，所以 h1%=1.24h5%=0.9253mhz=*h1%2Lmcth2*HLm=0.2126m 继而得到浪压力为 *Lm4*h1%+hz=22962.99N3) 校核洪水位 （其中括号内为承载能力极限状态时的分项系数）上游水位高程为101m，下游水位高程为25m。（1） 上下游静水压力（分项系数为1.0）gradient 斜率为-9810 沿y轴方向，分

8、别取101m和25m在各自位置。（2） 重力（分项系数为1.0）在y轴方向上g=9.81 m/s2 方向向上（3） 淤泥压力（分项系数为1.2）计算得：s*tan2(45o-2)=3934.5所以gradient斜率设置为-3934.5，y轴方向，淤泥高度为25m。（4） 渗透压力（分项系数为1.2）因为H=101-25=76m在（0，0，0）到（10，0，0）之间 gradient斜率设置为-9810*0.75*76/10 （10，0，0）处的力为9810*0.25*76N在（10，0，0）到（70，0，0）之间gradient斜率设置为-9810*0.25*76/60 （10，0，0）处的

9、力为9810*0.25*76N（5） 浮托力（分项系数为1.2）在坝体下端所有点上均匀受力 大小为 gh2=9810*25N（6） 浪压力（分项系数为1.2）其中速度取14m/s 有效吹程为1000mh1=0.0166*v054*D13=0.4495mLm=10.4*h10.8=5.4860m g*Dv02=50.05 因为50.05在20-250之间，所以 h1%=1.24h5%=0.5574mhz=*h1%2Lmcth2*HLm=0.1157m 继而得到浪压力为 *Lm4*h1%+hz=13546.83N五：研究内容 (一) 分析坝体结构的变形规律（正常使用极限状态下分项系数都取1.0）（

10、1） 正常运行下的变形示意图：正常运行模型的x方向位移示意图正常运行模型的y方向位移示意图正常运行模型的位移矢量和示意图（2） 防洪高水位下变形位移示意图防洪高水位模型的x方向位移示意图防洪高水位模型的y方向位移示意图防洪高水位模型的位移矢量和示意图（3） 校核洪水位位移示意图：校核洪水位模型的x方向的位移示意图校核洪水位模型的y方向的位移示意图校核洪水位模型的位移矢量和示意图（4） 变形规律：坝体在上游高水位水压力的作用下，整体变形向下游方向发展；X方向位移，从坝体顶端到基岩依高度变化减小；Y方向位移，靠近上游的部分位移很大，向下游方向逐渐减小；当水位越高，坝体和基岩的变形越大。(二) 按承

11、载能力极限状态复核坝趾压应力（1） 正常水位下坝趾位置压应力示意图正常运行模型下坝趾最大竖向压应力为3.38E106C20混凝土的轴心抗压最大值为18.5MPa坝址最大压应力为3.38MPa，带入混凝土极限状态 表达式，其中左式=3.718MP,右式=10.28MP,所以安全防洪高水位下坝趾位置压应力示意图防洪高水位模型下坝趾最大竖向压应力为3.85E106C20混凝土的轴心抗压最大值为18.5MPa坝址最大压应力为3.85MPa，带入混凝土极限状态 表达式，其中左式=4.235MP,右式=10.28MP,所以安全校核洪水位下坝趾位置压应力示意图校核洪水位模型下坝趾最大竖向压应力为4.25E1

12、06C20混凝土的轴心抗压最大值为18.5MPa坝址最大压应力为4.25MPa，带入混凝土极限状态 表达式，其中左式=4.675MP,右式=10.28MP,所以安全(三) 按承载能力极限状态复核坝基面抗滑稳定性坝体混凝土与基岩接触面的抗滑稳定极限状态：S·=PR R·=fR' *WR+CR'*AR对于基本组合，应采用下列极限状态设计表达式0*S1d*R其中 PR为坝基面上全部切向作用之和，kN； WR为计算界面上全部法相作用只和，kN，向下为正；fR' =1.0 CR'=0.8MPa AR=70m20=1.1 d=1.2=1.0（在正常水位和防洪高水位下）=0.85（在校核洪水位下）1. 在正常水位下 S=0.38288e8 WR=0.72957e8代人极限状态设计表达式左边=42.1168 <右边=107.46422. 在防洪高水位下S=0.41690e8 WR=0.73943e8代人极限状态设计表达式左边=45.8590 <右边=108.28583. 在校核洪水位下 S=0.44025e8 WR=0.75134e8代人极限状态设计表达式左边=48.4275 <右边=109.2783 所以，三种计算工况都安全。(四)