（水工结构工程专业论文）高闸墩的结构分析.pdf

费州人学颁i ：学位论文摘要 中文摘要 从结构分析的角度来看，任何一个工程结构都是空间结构，各部分相互联 系形成一个整体，承受来自不同方向的荷载作用，结构中的每个构件都与不在同 一平面内的其他构件相联系，形成三维的传力体系。高闸墩除了受到自重垂直荷 载外，同时还受纵向和横向( 顺水流和垂直水流方向) 两个方向的水荷载作用。 贵州省都匀市桃花电站的高闸墩钢筋混凝土结构，其最高处为2 1 7 米，宽 度为仅1 5 米，本课题通过有限单元法的理论基础和有限元分析软件a n s y s 对 其高闸墩进行结构分析。对这样的结构采用a n s y s 软件进行有限元分析，除了 对实际工程的设计提供数据和结论外，对今后同类型的结构分析也具有参考意 义。 课题中对于结构的分析主要由以下几部分组成。 l 、在对结构进行一定的简化之后，建立了符合实际情况的三维有限元模 型。 2 、通过对结构模型在重力荷载和水荷载作用下的计算，得到了结构非抗震 设计的内力和变形。 3 、通过对内力和变形的分析，提出对结构设计有价值的建议。 关键词：高闸墩，有限元，a n s y s ，静力分析 i l l 贵州人学硕l ：学位论文 摘要 a b s t r a c t f r o ms t r u c t u r a la n a l y s i ss t a n do fv i e w , a l le l e m e n t so ft h es t r u c t u r ea r ec l o s e l y c o n n e c t e dt of o r mas p a c es t r u c t u r et os u s t a i nv a r i o u sl o a d sf r o mm a n yd i r e c t i o n s t h ee l e m e n tm a yb ej o i n t e dw i t ho t h e r so u to fi t sp l a n ea sat h r e e - d i m e n s i o nb e a r i n g s y s t e m t h eh i g hs l u i c ep i e ri nh y d r a u l i cp r o j e c ti sn o to n l ys u b j e c t e dt os e l f - w e i g h t l o a d b u ta l s o l o n g i t u d i n a la n dc r o s s w i s ew a t e rl o a d t a oh u ap o w e r # a n to fh i g hs l u i c ep i e r ，t h eg u i z h o up r o v i n c ed u y u ne i t y , i s d e s i g n e dt or e i n f o r c e dc o n e r c t es t r u c t u r e , i t sh i g h ti s2 1 7m e t e r s ，t h et h i c k n e s si so n l y 1 5m e t e r s t h i sp a p e rc a r r i e so l lt h es t r u c t u r ea n a l y s i st oi t sh i g hs l u i c ep i e r t h r o u g h t h ef i n i t ee l e m e n t a lm e t h o dr a t i o n a l ew i t hs o f t w a r ea n s y st oi t sh i g hs l u i c ep i e r t h e f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i si sa p p l i e dt os t r u c t u r ea n dc a l lp r o v i d ed a t ea n dr e s u l t sf o rt h e d 嚣i g n a b o v et h i s ，t h em e a n sc a l lb er e f e r e n c et ot h ea n a l y s i so ft h es a n l et y p e s t r u c t u r a l t h i sp a p e ri sc o n s i s t e do f s e v e r a lp a r t ss h o w na sf o l l o w i n g 1 a f t e rs o m es i m p l i f i c a t i o n so fs t r u c t u r et h e p a p e r , w ec r e a t e dt h e t h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tm o d e lc o r r e s p o n d e dt ot h ea c t u a lb u i l d i n g 2 t h r o u g hc a l c u l a t i o na n da n a l y s i so fs t r u c t u r a lm o d e lu n d e rd e a dl o a d a n d w a t e rl o a d ，t h ep a p e rd e r i v e dt h en o n - s e i s m i ci n t e m a lf o r c ea n dd e f o r m i n go ft h e s t r u c t u r e 3 t h r o u g ht h ea n a l y s i st h ei n t e m a lf o r c ea n dd e f o r m i n go f t h es t u c t u r a l ，t h e p a p e rp r o v i d es o m ev a l u es u g g e s t i o nf o r t h es w a e t u r a l k e yw o r d s ：h i g hs l u i c ep i e r , f i n i t ee l e m e n t a l ，a n s y s ，s t a t i ca n a l y s i s i v 贵州人学硕 ：学位论一： 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除丈中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究在做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：圈益崖怎日期：! q q 7 生旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权贵州大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：盈皤窿怨导师签名谜日期：2 q q 孑生么旦 贵州人学颂i ：学位论史 第一章绪论 第一章绪论 本课题研究的是在水工建筑物中，高闸墩除了受到自重垂直荷载外，同时还 受纵向和横向( 顺水流和垂直水流) 两个方向的水荷载作用下的空间协同工作的 静力分析。 1 1 课题的来源、背景及意义 1 1 1 课题的来源 在水工建筑物中，闸墩的作用是分隔孔口、支承上部启闭设备或作为闸顶交 通桥的支承。闸墩在结构上应该满足稳定和强度的要求。闸墩的厚度根据闸孔宽 度、受力情况、闸门型式、结构构造要求和施工方法等条件的确定。闸墩因受水 利枢纽的布置要求，为缩小溢流前缘宽度往往做得高而薄；同时山区河流泄洪量 大，若孔口仅是隔孔开启，则其受力较为不利。而闸墩又是一个双向受力结构， 除了受到自重与上部结构垂直荷载外，同时还受纵向和横向( 顺水流和垂直水流) 两个方向的水荷载作用。 在实际设计中采取的以下理论基础来设计的：闸墩在不同高程截面上的应力 不同，顺序向下以墩底应力为最大，作为计算应力的控制截面。将闸墩结构看作 固结在底版上的悬臂梁，可近似地按偏心受压公式计算闸墩应力，并根据此配筋。 这种传统的闸墩设计方法虽然能满足实际的要求，但是计算方法比较近似，计算 过程比较租糙，从而增加了工程造价，造成不必要的浪费。 随着计算机软件和有限单元理论的发展，给这种复杂的计算带来了精确的计 算方法和理论基础。因此，以对贵州省都匀市桃花电站的高闸墩的设计为例。运 用以有限单元理论为基础的计算方法，来计算闸墩的受力，为以后的实际工程提 供方便。所以用高闸墩的结构分析作为课题来研究。 而在本课题研究的贵州省都匀市桃花电站的闸墩工程结构过程中，水平水压 力荷载不但是主要作用荷载的一种，跟竖向荷载共同起作用，还成为设计中的控 制因素，本课题主要研究的是闸墩在静力荷载下的效应。 1 1 2 课题的背景 随着电子计算机技术、c a d 技术的高速发展，工程结构设计的概念化、结 构化已经成为新世纪结构设计工作的大方向，这与当前国外先进研究水平是相协 调的，也是对结构设计计算工作的根本性改革。然而在结构分析中，仿真技术是 贵州人学碗十学位论文 第一章绪论 计算机应用领域中的一个新兴的研究方向，它的优点在于不受空间尺寸和时间长 短的限制，可以提供有关结构行为的全过程，各种完整清晰的数据和图形，随着 各种工程材料研究的深入，适用于计算机的数值方法的不断发展更新，计算机的 普及应用及c a d 技术的发展及成熟，使结构仿真分析成为可能。目前，由物理 模型、数值方法和可视化技术相结合而发展起来的仿真分析正在迅速发展，并日 益普及，受到工程技术界的重视，进行计算机仿真分析具有更加实用的价值及现 实意义。 有限单元法( 或称为有限元法) 是在当今工程分析中获得最广泛应用的数值 计算方法。由于它的通用性和有效性，受到工程技术界的高度重视。伴随着计算 机科学和技术的快速发展，现在已成为计算机辅助设计( c a d ) 和计算机辅助制 造( c a m ) 的重要组成部分。 目前，国内的很多结构设计计算仍停留在已延续三十年的单一构件或局部结 构设计状态( 如单向扳、双向板、各式基础的设计计算) ，但实际上，构成结构 整体的各构件是一个三维协同工作体系，随着工程的高度，或跨度，或结构布置 ( 平面布置和竖向布置) 复杂程度的增加，在结构设计中把各构件纳入结构总体 进行协同工作的整体分析，才能更符合实际地表征结构的抗力反应，这一分析思 路只有在计算机及计算技术高度发达的今天才能成为可能。 近年来，中国建筑科学研究院及一些高等院校的同志们虽然在这方面做了不 少值得肯定的工作，推出了一些商品软件，如中国建筑科学研究院的t a t ，t b s a 、 t b s s a p 、s a t w e 、p m s a p ；清华大学的t u s ；同济大学的m t s ；广东省建筑 设计院的广厦c a d 。国外一些大型通用商业软件如：a n s y s 、s p a 、a b a q u s 、 a s k a 等。为我们分析大型的、受力复杂的工程成为可能。 1 1 3 课题的意义 只有对工程结构的强度效应、刚度效应作整体性的深入分析研究，才能使工 程产品的安全性、耐久性、技术经济性等指标得到改善，而后者己成为国外土木 工程界的关注课题，美国及欧洲的专家教授已把与此相关的问题作为主攻方向， 中国土木学会九届年会也以结构的安全度、耐久性作为主题，这一新动向告诉我 们的重要信息之一是：应深化、改革传统的设计计算方法，从效应产生的机制上 深入分析研究，但也不能把这种基于高深理论的繁重工作施加于广大工程设计人 员身上，而应把在严谨理论研究的基础上所取得成果以结构化、概念化的形式介 2 贵州人学硕i ：学位论文第一章绪论 绍给他们，这是专业理论研究工作者义不容辞的责任。 本科题的研究意义如下： ( 1 ) 研究在水工建筑物中，高闸墩的空徊j 作用问题；使得有关空问作用的 研究具有整体性、系统性。 ( 2 ) 有助于发展高闸墩结构在安全性的前提下，实现优化的设计概念。 ( 3 ) 由于本课题立足于实际工程，因而对相关工程具有重要的参考价值。 ( 4 ) 为今后更深入的研究同种形式的空间作用问题提供有益的参考价值。 1 2 课题研究的内容 本课题是以贵州省都匀市桃花电站的高闸墩为研究对象。通过分析高闸墩在 水平荷载和竖向荷载共同作用下的静力作用空间的性能为主，通过有限元分析软 件a n s y s 建立实体模型，分析在水平和竖向荷载共同作用下应力和应变。其主 要内容是： ( 1 ) 采用有限元软件a n s y s 建立三维空间模型，实现对贵州省都匀市桃花 电站的高闸墩的计算分析。 ( 2 ) 分析在水平和竖向荷载共同作用下高闸墩的应力和应变。 ( 3 ) 对分析的成果进行整理，提出对工程有意义的建议。 1 3 结构分析常见数值方法的简介 工程结构分析主要应用的是力学原理，经典力学原理基本上沿着两条路线进 行。一条是基于牛顿运动定律。在静力分析中，主要遵循力的平衡原理，加上组 成结构材料的本构关系和应变、位移的几何协调关系可以导出微分方程。另一条 是基于功、能原理，它以能量原理( 如最小势能原理，最小余能原理，虚位移原 理等) 为基础，可以导出需要求解的积分方程。研究一种结构，首先就要分析它 的力学特性。力学方法可分为数值方法和解析方法两大类，解析方法只能对简单 的问题才能得出闭合形式的解答，而对于复杂形式的结构求出闭合解是不可能 的，唯一的方法是用数值方法求出问题的近似解。 高闸墩是一个复杂的结构体系，显然用解析法来分析求解，其困难是很大的， 近些年来，随着电子计算机在工程上的应用日益广泛，为数值解法来解决复杂结 构体系提供强有力的工具。目前用于工程结构的数值分析方法主要有有限单元 法、差分法、加权残值法。 3 贵州人学硕i 一学位论文 第一章绪论 ( 1 ) 有限单元法 有限单元法目前被公认为最强有力且相当完善的结构分析的方法，该方法简 而言之，就是在力学模型上进行近似的数值计算，即就是把连续体简化为有限个 单元组成的离散化的模型，然后再对离散化的模型给出数值解答。从2 0 世纪7 0 年代开始，基于有限元法在结构分析方面已经成熟并被工程界广泛采用，一批由 专业软件公司研制的大型通用商业软件如n a s t r a n 、a s k a 、s a p 、a n s y s 、 m a r c 、a b a q u s 、j i f e x 等己被公开发行和应用。它们包含众多的单元型式、 材料模型和分析功能，并具有网格自动划分、结果分析和显示等先后处理功能。 近3 0 年来，有限单元的功能由线性扩展到非线性，由结构扩展到非结构，由分 析计算扩展到优化设计、完整性评估，并引入基于计算机技术发展的面向对象技 术、可视化技术等等。有限单元法有很多优点，其中主要的优点有： ( 1 ) 概念浅显，容易掌握，可以在不同的水平上建立起对该法的理解。我 们可以通过非常直观的物理途径，来学习和运用这一方法，也可为该法建立严格 的数学解释。 ( 2 ) 该法有很强的适用性，应用范围极为广泛，具有很强的灵活性和通用 性。它不仅是能成功地处理如应力分析中复杂的边界条件，还可以处理非均质材 料、各向异性材料、非线性应力应变关系以及复杂边界等难题；而且随着其理 论基础和方法的逐步改进和完善，还成功地用来求解如热传导、流体力学以及电 磁场领域的问题。现在，它几乎用于求解所有的连续介质和场问题。 ( 3 ) 有限单元法采用矩阵形式的表达，便于编制计算机程序，还可以利用 高速电子计算机所提供的方便。因而，有限单元法已被公认为应力分析的有效工 具而受到普遍的重视。 然而，随着结构的规模越来越大，其分析的规模也越来越大，其单元划分、 输入输出数据及内存等也将增多，这势必造成计算机计算工作量急剧增大，大大 的提高计算机对内存的要求，并使上机准备过于繁琐，人们常常要花很多精力去 输入数据，而大量的数据输出又为设计人员选取有用的部分造成较大的困难。 有限元法虽有这样一些缺点，但瑕不掩瑜。所以目前许多大型的、复杂的和 新型的结构分析中，应用最为广泛的方法仍是有限单元法。 ( 2 ) 差分法 4 贵州人学顾i 。学位论文 第一章绪论 差分法是针对基本微分方程经典的数值解法。所谓差分法，是把基本方程 和边界条件( 一般均为微分方程) 近似地改为差分方程( 代数方程) 来表示，把 求解微分方程的问题改换成为求解代数方程问题。如果有了各阶差分表达式，则 在微分方程中的微分可以近似地用差分来表示，对每一间距点n 可以建立差分方 程，结合边界条件可得到以各间距上函数值为基本未知量的代数方程组，它不需 很深的数学理论，即可求出个间距点上的函数值。因为线性代数方程组的求解已 有很多成熟的程序可用，所以只要把所需求解的微分方程改为差分方程，问题便 可迎刃而解了。 ( 3 ) 加权残值法 加权残值法的基本思路是假设包含有特定常数的试函数，这一试函数当然 不一定是、而且往往不是原微分方程的精确解，代回原方程时便出现误差一残值 ( 残值为零便是精确) 。我们可以按一定规则去消除残值，消除残值的过程可以 得到一系列代数方程，求解这些代数方程组，便可求得试函数中的待定系数从而 求得了近似解。 爨州人学硕l ：学位论文 第_ 二章有限儿软件a n s y s4 1 ：结构分析中的麻用 第二章有限元软件a n s y s 在结构分析中的应用 2 1 有限元软件a n s y s 的基本介绍 近4 0 年来随着计算机的飞速发展和广泛应用，各种行之有效的数值方法得 到巨大的发展，而有限元方法则是在2 0 世纪中叶计算机诞生以后，在计算数学、 计算力学和计算工程科学领域里诞生的较为有效的计算方法。随着有限元的理论 基础日益完善，出现了很多通用和专用的有限元计算软件如建筑科学研究院的 s a t w e 等。在工程结构的科学研究与实际应用中，由于实际的工程结构体积庞大， 价格昂贵，科学研究中很难或很少用实际的工程结构模型的试验。这样，大型的 模拟仿真软件在工程结构设计的研究显得尤为重要，a n s y s 程序即是应此要求而 迅速发展起来的计算机仿真设计工具。 a n s y s 公司成立于1 9 7 0 年，总部位于美国宾夕法尼亚州的彼兹堡，目前是 世界计算机辅助工程( c a e ) 行业中大规模的公司之一。创始人j o h ns w a n s o n 为 彼兹堡大学力学系的教授、有限元界的权威。其推出的 n s y s 软件是融结构、流 体、电场、磁场、分析于一体的大型通用有限元软件，可广泛的应用与核工业、 铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、国防军工、电子、土木工程、造 船、生物医药、轻工、地矿、水利、日用家电等一般的工业及科学研究。该软件 可在大多数计算机及操作系统中应用。a n s y s 多物理场的功能，允许在同一模型 上进行各式各样耦合计算，确保了a n s y s 对多领域多变工程的求解。 该软件提供了不断改进的功能的清单，具体包括：结构高度非线性分析电磁 场分析、计算流体力学分析、设计优化、接触分析、自适应网格分析、大应变有 限转动功能、以及利用a n s y s 参数设计语言( a p d l ) 的扩展宏命令等功能。a n s y s 程序在提供如此强大功能的同时，还拥有良好的图形界面( g u t ) ，基于m o t i f y 的菜单系统可以很方便地通过下拉式菜单和对话框进行数据输入以及功能选择 等操作，通过g u i 可以很方便地交互访问a n s y s 程序的各种命令、功能、手册 以及参考资料，逐步完成有限元分析。a n s y s 作为广泛应用的优秀的有限元软件， 把有限元数值分析技术和c a d 、c a e 、c a m 等有机的结合在一起，除了发展与多种 c a d 直接转换的接口以外，同时还使自己的输出文件格式通用化、标准化。 一个典型的a n s y s 分析过程可以分为三个步骤：1 创建有限元模型2 施加荷 载3 查看分析结果。在有限元的分析过程中，程序通常使用三个部分：前处理 6 贵州人学碗i ：学位论文 第二章有限c 软件a n s y s4 ：结构分析中的心用 模块( p r e p r o c e s s o r ) 、分析求解模块( s o l u t i o n ) 、通用后处理模块( g e n e r a l p o s t p r o c ) 和时间历程后处理模块( t i m e h i s tp o s t p r o c ) 。前处理模块是一个功 能非常强大的实体建模和网格划分的工具，通过这个模块用户可以建立工程有限 元模型，主要包括参数定义、实体建模、网格划分。分析求解模块是对己建好的 模型在一定的荷载和边界条件下进行有限元分析计算，求解平衡微分方程。在此 阶段，用户可以定义分析类型、分析选项、荷载数据和荷载选项。后处理模块是 对计算结果的处理，可以将结果以多种形式显示出来，后处理模块包括两个部分： 通用后处理和时间历程后处理模块。前者可以查看整个模块或部分模块在某一子 步( 时间步) 的结果，可以获得等值线显示，变形形状以及检查和分析的结果和 列表。否则可以查看模型的特定点在所有时间步内的结果，可以获得结果数据对 时间的结果数据图形曲线以及列表。 结构分析是有限元法最常用的一个应用领域，a n s y s 有七种结构分析类型： 静力分析、模态分析、简谐分析、时程动力分析、谱分析、屈曲分析、子结构分 析。a n s y s 程序中的结构静力分析用来分析由于静态外荷载引起的系统或部件的 位移、应力、应变和力。静力分析很适合于求解惯性及阻尼的时问相关作用对结 构相应的影响并不显著的问题。静力分析可分为线性静力分析和非线性静力分 析。非线性的静力分析允许有大变形、儒变、接触单元、塑性超弹性等。 a n s y s 程序中的结构静力分析是用来计算固定不变的荷载作用下结构的效 应，即由静态的外荷载引起的系统或部件的位移、应力、应变和力。一般荷载和 响应是固定不变的，或荷载和响应随时间的变化是非常缓慢和微小的。静力分析 所分析的荷载包括：外部施加的作用力和压力、静态的惯性力( 如重力和离心力) 、 位移荷载、温度荷载等。在线性静力分析中，一般的求解步骤分为：i 建模。2 施加荷载和边界条件。3 结果的评价和分析。 2 1 1 单元的选择 这个问题要考虑的方方面面很多，主要是掌握有限元的理论知识。首先当然 是由问题类型选择不同单元，二维还是三维，梁，板壳，体，细梁，粗梁，薄壳， 厚壳，膜等等，再定义所用的材料：各向同性或各向异性，混凝土和钢的各项参 数，粘弹性等等。接下来是单元的划分与网格、精度与求解时间的要求等选择， 要对各种单元的专有特性有个大概了解。 7 贵州人学碗i ：学位论文第二章有限几软件a n s y sn - 结构分析中的麻用 2 1 2a n s y s 单位选择问题 a n s y s 软件没有为分析指定系统单位，除了磁场分析外，可使用任意一种单 位制，但一定要保证输入的所有数据都是同一单位制里的单位( 单位必须对所有 输人数据一致) 。为符合规范设计要求，建议采用表一所示意的两种单位。 建议采用的单位表 杨氏 名称长度力时间质量压力速度加速度密度应力 模量 盥mn s k g p am si i l s 2 k g , m 3 p ap a 位mk nstk p am j sm s 2t m 3k p ak p a 表一 2 1 3a n s y s 的文件管理 在运用a n s y s 进行运算分析时，文件要进行妥善管理，建议在一个单独的工 作目录中作一次分析，用不同的工作名来区分不同的分析。 1 日志文件( 1 0 9 ) 2 数据库文件( 曲) 3 结果文件( r s t ，r t h ) 4 荷载步文件( s 0 1 ，s 0 2 ) 5 物理文件( p h l ，p h 2 ) 2 1 4a n s y s 建模技术 结构的建模是和问题的分析类型息息相关的，如果要进行整体分柝，那么局 部就可以简化。如果要进行局部受力的分析，那么该局部就需要准确的模型。这 要求在建模的过程中要有主有次。 a n s y s 建模要点： 1 建模前首先要确定分析目标，决定模型采取什么样的基本形式，选用适 合的单元类型，并考虑如何能建立适当的网格密度。 2 利用几何元素和布尔运算操作生成基本的几何形状。 3 用自底向上方法生成其它实体，即先定义关键点，然后再生成线、面和 体。 4 用布尔运算或编号控制将各个独立的实体模型域适当的连接在一起。 8 贵州人学顾j ：学位论文第一二常存限几软件a n s y s 枉结构分析中的应用 5 生成单元属性，包括单元类型、实常数、材料属性和单元坐标系等。 6 通过对实体模型划分网格来生成节点和单元。 7 在生成节点和单元之后，再定义面与面的接触单元、自由度藕合及约束 方程等。 a n s y s 有两种方法生成模型：实体建模和直接生成。对于实体建模，描述模 型的几何边界，建立对单元大小及形状的控制，然后用a n s y s 程序自动生成所有 的节点和单元：而对于直接生成方法，在定义a n s y s 实体模型之前，必须确定每 个节点的位置以及各个单元的大小、形状和连接。两种方法各有优缺点。 实体建模的优点： 对于大型或复杂的模型，特别是对三维实体模型更合适；需要处理的数据较 少：允许对节点和单元不能进行的几何操作( 如拖拉和旋转) ；支持使用体素( 如 多边形和圆柱体) 及布尔运算( 相交、相减等) 以顺序建模；便于使用a n s y s 程序 的优化设计功能；是自适应网格划分所必需的；是便于施加荷载之后进行局部网 格细化所要求的：实体模型加载也需要如此) ；便于几何上的改进；便于改变单元 的类型，不受分析模型的限制。 缺点： 有时需要大量的c p u 处理时间；对小型、简单的模型有时很繁琐，比直接生 成需要更多的数据；在特定的条件下可能会失败( 程序不能生成有限元网格) 。 直接生成方法的优点： 对小型或简单模型的生成较方便；使用户对几何形状及每个节点和单元的编 号有完全的控制。 缺点： 除最简单的模型外往往比较耗时，需要处理大量数据；不能使用自适应网格 划分；使用优化设计变得不方便；改进网格划分十分困难( 诸如网格细化， s m a r t i n g s i z i n g 等工具均不能使用) ；需要用户留意网格划分的每一个细节，更 容易出错。 2 2a n s y s 单元的选用 2 2 1 等参单元 等参单元的基本思想：首先导出关于局部坐标系的规则形状的单元( 母单元) 9 贵州人学硕i 学位论j 第一章存限儿软件a n s y s 相：结构分析中的应用 的形函数，然后利用形函数进行坐标变换，转到关于整体坐标系的实际形状的单 元( 又称子单元) 中去，如果单元坐标转换和位移函数所用形函数是相同的，则 称这种单元为等参单元。如果坐标变换所用形函数的阶次高于位移函数中的形函 数，则坐标变换的结点数超过用以规定单元位移的结点数，这种单元称为超参数 单元，反之，称为次参数单元。 2 2 2s o l i i ) 1 8 5 单元的简介 无论是何种型式的空间结构形式，可视具体情况选择单元形式。由于本课题 要建立高闸墩的三维空间模型，同时还要求解应力和位移等，因此本模型采用 s o li d l 8 53 - ds t r u c t u r a ls o li d 单元建立实体模型。 s o l i d l 8 5 单元为3 - 0 固体单元，用于仿真的实体结构，由八个结点组成。 在单元的每个结点上具有三个自由度，分别沿着三个坐标轴方向。此单元还可以 进行塑性、儒变、应力硬化、大变形以及大应变的分析。在线弹性分析阶段，钢 筋的应力较小，为了简化起见，在理论计算中忽略了钢筋的作用，因此没有必要 另外设置钢筋单元以及寻找钢筋与混凝土之间的粘结单元。因为钢筋在线弹性阶 段发挥的作用是较小的，钢筋与同截面的混凝土之间保持一定的线性关系。 s o l i d l 8 5 单元是一种等参单元，在有限元计算中，这种实体单元形状千差 万别，为了分析方便，定义一个2 2 2 的正方形母单元，母单元的坐标采用局 部坐标系( 善，7 ，f ) ( 如图2 - - 1 所示) ，其中- l 善1 , - l 可1 , - 1 f l 。坐 标原点放在单元形心上。 单 、l m 0 、p 图2 - 1s o l i d l 8 5 三维实体结构 i o 、l 贵州人学硕l ：学位论文 第一二章有限儿软件a n s y s 拒结构分析中的心用 ( 1 ) 形函数及坐标变换 8 结点等参单元的形函数如下： n = 丢( 1 + 鼻f ) ( 1 + 刁刁) ( 1 + 乒f ) ( 2 2 1 ) 式中：善，7 ，f 一局部坐标系下任意一点的坐标； 毒，仇，缶一局部坐标系下i 结点的坐标；毒= l ，仉= 1 ，幺= l 12 图2 2空间八结点等参单元 前面所述的母单元，几何形状简单而且规则，便于运算，但难以适应实际工 程中出现的各种结构的复杂形状。为解决这个矛盾，可进行坐标变换，使( f ，即，f ) 坐标系中形状简单的母单元，变换为在整体坐标系( x ，y ，z ) 中具有曲面边界的 形状复杂的子单元。子单元在几何外形上可以适应各种实际结构的复杂外形。经 过这样处理，单元具有双重特性：一方面，子单元的几何特征、荷载等都来自实 际结构，充分反映了实际情况；另一方面，大量的计算工作在几何形状简单、规 则、计算方便的母单元内进行。 为进行坐标变换，必须在坐标系g ，玑f ) 和坐标系( x ，y ，z ) 之间建立一一 对应关系，这种对应关系是利用形函数建立起来的。坐标变换公式为： t88 z = n j x j ；y = n j y ， , z = l 毛 ( 2 2 2 ) i = li = 1- l 经过空间坐标变换后，母单元的正六面体，变为具有曲棱、曲面的六面体 子单元。 贵州人学顾i 二学位论文 第一二章有限儿软件a n s y s 以结构分析中的应用 ( 2 ) 位移函数 单元位移用形函数表示如下： ( 3 ) 单元应变 叠 = 占， 占， s 叫 y 4 ，归 ，盯 0 u 苏 加 砂 却 o z o u 0 1 , 勿苏 却o w j i a z 砂 o wo u 上 缸a z 将位移函数式( 2 2 3 ) 代入上式，得到： 扛) = 【8 ) 。= 阻岛 。 或 = 【弦 ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) 。 = v 。目 i y甜 。 = 蚝h 嵋h 1j o o m o m o m o o o o m o m o m o o 。l = 门叫l 贵州人学坝 。学位论义 第一二章柯限儿软件a n s y s4 ：结构分析中的应用 其中单元应变子阵瞳】= a n , oo 苏 。盟 加 0o 8 n i 8 n t 砂 舐 。盟 出 盟o a = 形函数对局部坐标的偏导数如下： o n , 管 o n j a 盯 o n ， a f o x 鸳 o x 却 o x a f o o n ， 瑟 o ( i = 1 ，2 ，8 )( 2 2 6 ) 、a n t i 百 制l 警 ia j l i ( 2 2 7 ) 上式中】称为雅可比矩阵，可以由坐标变换公式( 2 2 2 ) 求出如下： = 良 西 缸 a 打 缸 a f 如 西 瑟 a 刀 如 a f a n l 西 o n l 却 o n i a f o n 2 筐 a 2 a 玎 a n 2 a f z 1 ： 屹j( 2 2 8 ) l z s j 对雅可比矩阵p 】求逆后，可得到形函数在整体坐标中的导数如下： o n , 缸 a n 砂 o n , 钯 = p 】- 1 a n ， 8 o n , a ” o n , a f ( 4 ) 刚度矩阵 单元刚度矩阵k r = 陋r o a k d ，d ： ( 2 2 9 ) ( 2 2 1 0 ) 令陋】= b lb 2 。反】矩阵分块后， 子矩阵为 1 3 拼一砂甜百 如一管瑟一却如一笛 砂一鸳钞一却砂一暂 m 儿n 而砭 黾 1旷iiiiiiiir 巩一西巩一却毗一笛 砂一鸳砂一叻砂一暂 贵州人学硕j ：学位论文 第一二章有限，软件a n s y s 相：结构分析中的埘用 k 。】- 7 【d 舱k ，d ，d ： 上式中【d 】称为弹性矩阵 【d 】= 瓦e 而0 - “丽) 可得到 1 上上 1 t1 t 上1 卫 1 t 1 a 上上1 1 a1 t 0o oo oo o o o o ! 二丝 2 ( 1 一) 00 00 式中e 、分别为材料的弹性模量和泊松比 oo 0o oo ( 2 2 1 1 ) ( 2 2 1 2 ) 另外，d x d ，d ：= j l d c d , t d f 式中i 卅为雅可比矩阵行列式。综合以上各式， ( 5 ) 单元应力 l1l t k 。】= j 【8 ，】 d b i j i d # j , 一l l - i 其中：陋】是应力矩阵 总体刚度矩阵k 】 ( 2 2 1 3 ) ( 2 2 1 4 ) ( 2 2 1 5 ) 总体刚度矩阵是个单元矩阵生阶后叠加的总和。若一个结构体有n 个结点、 m 个单元，则总体刚度矩阵就是m 个单元刚度矩阵叠加后的结果，即： ( 5 ) 荷载列阵 m t k 】_ ( 2 2 1 6 ) 。揣 。高。 贵州人学碗i ：学位论文 第一二章有限儿软件a n s y s0 ：结构分析中的应用 由体积力 g ) = k ，q ，g ：r 产生的结点荷载列阵为 p 蠢= j 【】 q | j l c l ；吒叱 ( 2 2 1 7 ) ln j 0 0 n s 00 i 【】= 10 l 0 0n s 0l l0 0 n i 。00 8 j p 毙= j j 【】 p a o ( 2 2 1 8 ) 1 5 贵州人学颀i ：学位论文 第三章高州墩模型的建立和求解 第三章高闸墩模型的建立和求解 3 1 工程简介 桃花电站位于都匀市区东南2 0 千米处的马尾河上，距都匀市区公路距离4 6 千米，马尾河是长江水系主干流清水江上游河段，该工程以发电为主，电站装机容 量6 0 0 0 千瓦。水库总库容3 6 1 0 万立方米，坝址以上流域面积9 6 4 千平方米，枢 纽主要建筑物有混凝土双曲拱坝，坝后岸边式发电厂房等，大坝为三等三级建筑 物，电站厂房为四级建筑物，大坝设计洪水( 五十年一遇) 为每秒2 6 9 3 立方米， 校核洪水( 五百年一遇) 为每秒4 1 5 9 立方米。 坝址河床为较对称的“u ”型近横河谷，河床宽约4 3 米，两岸坡较陡。河床 及漫滩砂砾石层厚为o 一3 米。弱风化层厚2 - - 2 5 米，坝后冲刷坑范围以内 河床为炉山组中至厚层白云岩，其岩性坚硬致密。隐节理发育，抗冲刷强度较高。 坝体为混凝土抛物线双曲拱坝，坝高4 2 米，非溢流段坝顶高程7 1 8 0 0 米，坝顶 总弧长为1 6 2 8 6 米。该工程采用坝项表孔溢洪，挑流消能，溢流坝段布置于河 床中部，其溢流堰顶高程为7 0 7 2 0 米，装五扇弧形闸门。溢流坝面采用w e s 曲 线，方程为y = 0 5 h d ”5 x “5 ( 定型水头设计采用日j = 7 5 米) ，上游前缘为 j 二+ 鱼鳟：l 的椭圆曲线。w e s 曲线至7 0 1 9 4 6 米高程处，再接半径为 2 1 r1 2 3 6 4 8 米反弧至鼻坎，反弧最低点高程为6 9 9 8 6 9 米。挑流鼻坎顶高程为7 0 0 6 0 米，挑角1 5 度。 该电站位于贵州省东南部多暴雨区，洪水强度大，流域坡度陡，汇流快，洪 水陡涨陡落，本工程泄洪单宽流量大，枢纽建筑物布置多集中于河床。工程闸门 顶高程与正常蓄水位即设计洪水位齐平，按设计上的要求，当水库的来水量小于 或等予电站设计流量时，坝上闸门全部关闭，当来水量大于电站设计流量小于设 计洪水流量时，闸门将部分开启，使库水位保持在正常蓄水位状态。当来水量达 到或超过设计洪水流量时，五孔闸门将全部打开，水库在非正常状态下运行。当 部分闸门开启时，有的闸墩一侧受到水压力的作用，而另一侧则不受水压力的作 用，使得该闸墩受力非常不利，尤其是隔孔开启时。因此，本课题以分析这种不 利的情况为重点研究对象。 工程布置图3 - 1 、图3 - 2 所示： 1 6 贵州人学顾i ：学位论文第二章离闸墩模型的建扛和求解 图3 - 1 溢流面平面布置图 图3 - 2 闸墩剖面图 1 7 贵州人学碗i ：学位论文第三章商m 墩模型的建扛和求解 3 2 工程中的相关数据 1 、本工程在设计洪水流量时设计了三个级别即：校核洪水流量o = 4 1 5 9m5 s ， 洪水流量q = 3 4 2 6m 3 s ，设计洪水流量q = 2 6 9 3m 3 s 。均是在五孔全开的情况下 进行的，在各级流量下，库内水流平静，在溢流堰前缘进口水流由于受上游河床 弯道的影响，在左，右两岸水面水位存在一个水面差，设计洪水时，其最大差值 为0 3 m 左右，为右高左低现象。 各级流量下水库水位几流量系数见表二： 闸门开启情况流量库水位溢流水头堰顶单宽流流量备注 ( m 3 s ) ( m )( m ) 量( m 3 s m )系数 1 # 5 #4 1 5 97 1 7 4 31 0 2 36 9 3 20 4 7 9 五孔全开 1 # 5 #3 4 2 67 1 6 1 7 78 9 7 75 7 1 00 4 8 0 五孔全开 1 # 5 #2 6 9 3 7 1 4 9 7 87 7 7 84 4 8 9 0 4 6 7 五孔全开 l # 、2 # 、3 # 、4 #2 1 6 07 1 5 0 07 8 4 5 0 0 0 4 6 7 四孔全开 1 # 、3 # 、4 # 1 6 0 07 1 5 0 07 84 4 4 40 4 6 1三孔全开 l # 、3 # 1 0 4 57 1 5 0 07 84 3 5 40 4 5 1 二孔全开 3 #5 l o7 1 5 0 07 84 2 5 00 4 4 1 一孔全开 表二 在正常高水位7 1 5 0 0 条件下，以不同的方式开启了四孔、三孔、二孔和一 孔闸门进行水工模型实验，在各种开启方式下开启5 # 孔，下泄水流对左岸的冲 刷均不利，因此，应尽量避免开启5 # 的方式泄洪。泄洪时，下泄水流在反弧处 受离心的作用，产生扩散，低坎水流撞击在两侧齿坎上产生水冠，其水冠最高点 高程为6 7 2 3 5 m 经实验后确定的闸门开启方式为：1 ) 一孔泄洪时，3 # 孔全开。 2 ) 二孔泄洪时，l # 和3 # 孔全开。3 ) 三孔泄洪时，1 # 、3 # 和4 # 孔全开。4 ) 四孔 泄洪时，1 # 、2 # 、3 # 、4 孔全开。 2 、溢流段处水面线高程见表二： 距离各级流量水面线高程( m ) ( m ) 4 1 5 93 4 2 62 6 9 3 o l o7 1 7 1 37 1 5 9 57 1 4 ，8 2 堰顶7 1 5 7 37 1 4 7 47 1 3 5 5 1 8 贵州人学硕i ：学位论文 第二章南m 上2 2 模型的建扛和求解 0 + 57 1 3 3 2 7 1 2 0 77 1 0 9 4 0 + 1 07 0 9 7 07 0 8 o l7 0 6 6 5 0 + 1 5 7 0 5 0 67 0 3 5 47 0 2 1 5 0 + 2 07 0 3 3 2 7 0 2 0 97 0 1 1 0 坎顶 7 0 3 1 0 7 0 2 1 17 0 1 3 2 0 + 2 5 7 0 3 2 47 0 2 1 77 0 1 5 0 0 + 3 07 0 2 8 07 0 2 3 47 0 1 5 6 表二 3 、在进行结构设计时，当闸墩隔孔开启时，中间的闸墩的受力是最不利的， 因此，本课题以有限单元法和有限单元的应用软件a n s y s 为基础，对整个闸墩进 行建模分析，重点是闸墩隔孔开启时，中间的闸墩的受力。同时取最大校核洪水 流量q = 4 1 5 9m 3 s 为计算依据。 3 3 高闸墩有限元分析的基本假定 1 符合小变形和线弹性的假定。 2 闸墩与坝体刚接，闸墩与工作桥、交通桥、检修桥均为铰接。 3 本课题主要分析闸墩在静力荷载作用下的效应，不考虑闸墩以下部分对 结构的影响。 4 由于本课题主要研究水工建筑物中高闸墩的结构分析，因此，在研究中， 只考虑了竖向的恒荷载、水平方向的水荷载，不考虑水平方向的风荷载、 地震荷载。 5 由于本课题的结构布置比较复杂，在用a n s y s 建模时，如楼梯、洞口等 不予考虑。 3 4 实体模型的建立和荷载的取值 3 4 1 实体模型的建立 在建立模型时，闸墩采用的是s o l i d l 8 5 单元，结构设计时闸墩采用的是c 2 5 混凝土。因此，在定义材料属性时，按照水工混凝土结构设计规范d l t 5 0 5 7 1 9 9 6 ) ，c 2 5 混凝土泊松比v 。= 0 2 ，弹性模量取2 8 1 0 o n m 2 ，密度输入 2 5 0 0 k g m 3 。闸墩上