基于ANSYS的阿海水電站靜動力分析

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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）E-mail：xiaohong84716@163.com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：TV311TV3121.工程概況阿海水電站是以發(fā)電

2、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利工程。電站正常蓄水位1504.00ｍ，相應(yīng)庫容8.06×108ｍ3，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

3、最終確定為一等大（1）型工程，其主要水工建筑物大壩、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Ⅰ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

4、期工況和地震工況，各工況荷載組合見表1[3,4]。表1計算工況及荷載組合-7-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=0.2％)√1504.001436.1581434.723√√√施工期工況√------偶然組合校核洪水位(P=0.02％)√1507.231439.8001437.297√√√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

5、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。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-7-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

6、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

7、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；ρw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)ξ=0.05。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ah＝0.344g，豎向設(shè)計地震加速度代表值av＝2*ah/3；特征周期Tg＝0.2（Ⅰ級場地）；設(shè)計反應(yīng)譜最大值的代表值βmax＝2.0。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（DL5073－2000）》，總的