重力坝2D和3D工况对比.doc

基于ANSYS的混凝土重力坝有限元分析 2D与3D工况分析之比较第一部分 引言目前，ANSYS作为一种大型的商业有限元分析软件，已经广泛应用于土木工程、地质矿产、水利、铁道、汽车交通、国防军事等科学的研究之中。在关于混凝土材料和结构的分析中，主要有混凝土基本力学性能的分析 、钢筋混凝土梁板的分析、混凝土坝的分析等，但是，把混凝土坝的二维建模和三维建模进行对比分析很少见。鉴于此，本文对混凝土坝进行了2D和3D有限元分析，以期为混凝土坝的设计和施工提供一些参考。混凝土实体重力坝为当前采用较多的坝型之一，结构简单，施工方便，工作可靠。在水压力作用下，依靠自重产生的抗滑力维持稳定，基本剖面呈三角形。这种坝体断面尺寸大，材料用量多，坝体应力较低，使得材料强度不能充分发挥，因此，重力坝结构设计是重力坝设计的一项重要内容，它的任务是根据安全经济和应用等条件，通过分析计算，选择一个既满足稳定和强度要求，又使体积最小和施工方便的剖面形态和轮廓尺寸。第二部分 大坝二维建模利用ANSYS对坝体工程进行模拟分析，包括坝体工程力学问题的简化、前处理、加载与求解、后处理和计算结果的分析等。2.1、简化求解方法问题的简化包括力学简化和位移简化，通过简化可以把三维的问题转化为二维求解。通常处理的手段是根据弹性力学理论，将这种纵向比较长而横断面比较小的坝体结构简化为平面应变的模式进行分析，即认为坝体结构在纵向上是不变形的，没有位移，只在横断面方向产生位移，但是在纵向和横向都有应力产生，并且认为在横断面方向所产生的位移和应力是相等的。这样进行的处理是近似处理。由于边界条件的影响，在两侧河岸处的位移实际上比坝体中段要小。不过在坝中段采用这样的力学简化是完全合理的。位移边界的简化是将基础端视为固定端，因坝体嵌入岩基内，这样的简化是合理的。2.2、坝体二维建模与内力分析假设某坝体的横断面尺寸如图1所示。坝体材料参数E=2.25104MPa，泊松比。坝体有限元单元采用四节点单元plane42。进行平面应变计算的关键是在选定单元后设定选项，选中Plane Strain。基岩部分采用单元plane25，基岩部分材料参数E=1.2104MPa，泊松比利用ANSYS建立的二维模型及单元剖分图如图2所示，对该模型施加荷载，然后进行求解。X方向位移和应力等直线图，如图3和图4所示，y方向位移和应力等直线图如图5和图6所示。图1 重力坝断面示意图（单位：m）图2 大坝网格剖面分析图 图3 x方向位移分布图图4 x方向应力分布图图5 y方向位移分布图 图6 y方向应力分布图2.3、计算结果分析根据混凝土结构设计规范，要进行材料强度和变形验算。验算时，根据后处理的结果找到变形和应力控制点，看能否满足规范规定的要求，如果不满足，就要采取相应的措施(例如用提高混凝土强度等级、局部配置锚筋等来加强结构的抗变形和受荷能力)。第三部分 大坝三维建模3.1、三维建模对坝体建立三维有限元计算模型时，为了解除山岩和坝基边界条件对坝体受力的影响，应尽量扩大有限元模型分析的计算范围。坝基深度取2倍的坝高；沿河流方向在坝踵、坝趾上下游各取1.5倍和2倍坝高；左右岸岩体各向外扩展1.5倍坝高。考虑到有限元范围已经取得足够大，根据圣维南原理，可认为在山岩的底面及四周侧立面无位移，坝基的底面及四周竖向岩面均采用固端约束。大坝横断面采用图1中的尺寸。三维有限元模型如图7所示。对坝体施加重力及上游施加水压力，见图8。图7 大坝三维网格划分图图8 坝体水压力荷载图3.2、三维应力和应变分析大坝采用solid65单元，周边岩石采用solid45单元进行计算，得到方向的变形图和应力图分别见图9和图10。其中，大坝中间横断面方向的变形和应力图分别为图11和图12。从中可以看出，其应力和变形规律与二维分析(见图3和图4)一致。图9 三维分析x方向位移图图10 三维分析x方向应力图图11 大坝中间横断面变形图图12 大坝中间横断面应力图第四部分 分析比较与结论通过对大坝进行二维和三维的有限元分析可以看出：两者均能反映出大坝的应力、应变变化规律和关键点的应力、应变值。但是，二者之间存在着如下细微的差别。(1)二维模型建立简单、运算速度快，三维模型创建复杂，运算速度慢。(2)二维建模仅能反映大坝中间截面的应力和应变变化规律，三维建模可以反映出整个坝体包括边界的应力和应变变化规律。(3)二维模型把大坝作为平面应变问题来处理，忽略了坝轴线方向的应变，三维模型建模直观，