应用ANSYS软件进行混凝土重力坝的有限元静力和模态分析.pdfVIP

百学须先立志。——朱熹

应用ANSYS软件进行混凝土重力坝的有

限元静力和模态分析

丰梦梦等

百学须先立志。——朱熹

百学须先立志。——朱熹

【摘要】采用ANSYS结构分析软件，通过对某小型混凝土重力坝工程进行有限

元静力和模态分析，研究探讨了坝体在满库工况下的变形和应力分布，以了解

坝体在工况下的工作形态。同时，进行高阶模态分析，了解坝体的自振频率和

振型并进行简单分析，最后做总结

【关键词】ANSYS软件静力分析模态分析混凝土重力坝

1前言

百学须先立志。——朱熹

我国土地辽阔，水资源丰富，可以开发的水电容量约为3.78亿KW，据世界第

一位。目前我们已经修建了如三峡、小浪底等大型水利水电工程，而这些工程

也在我国经济建设中发挥了巨大的作用。建国以来，随着技术的提高，各种各

样型式的重力坝在坝工设计中占了很大的比重。重力坝是一种主要依靠坝体自

重产生的抗滑力来维持自身稳定的坝型。近年来，混凝土重力坝在重力坝中所

占的比重越来越大。混凝土重力坝以具有安全可靠，耐久性好，抵抗渗漏、设

计和施工技术简单，易于机械化施工、对不同的地形和地质条件适应性强等优

点而被广泛应用[1]。但由于许多坝都是建立在地震多发和高烈度地区，一旦遭

到破坏将会带来难以估计的经济和损失，因此对大坝做模态分析，计算分析它

的固有频率和振型，为重力坝的抗震稳定性分析奠定基础。

2有限元模型建立

某工程非溢流混凝土重力坝，高17米，宽24米，顶宽5米。上游面坡度为

1：0，下游面坡度为1：0.8[2]。假设大坝的基础是嵌入到基岩中，地基是刚

性的。大坝采用的材料参数为：弹性模量E=3.5GPa，泊松比ν=0.2，容重

γ=25KN/m3。水的质量密度1000kg/m3。模型见图一

2.1静力分析

SOLID186是一个高阶3维20节点固体结构单元，SOLID186具有二次位移模式

可以更好的模拟不规则的网。本文使用SOLID186单元进行数值模拟分析。按照

满库状态施加荷载，基础是刚性，底面施加约束，对整个重力坝施加重力荷

载，然后求解分析。分析结果见图二、图三、图四、图五。

从图二中可看出X方向的最大位移是0.119mm，位置在坝顶；最小位移是

0.00104mm，位置在坝底部。从图三中看出y方向的最小位移是0.117mm，位置

在坝底部。从图四中看出z方向的最大位移和最小位移相差不大且数值很小，

基本可以忽略。根据x，y，z方向的位移图可以看出，在满库状态下，坝沿着

河流方向以及竖直方向的位移是在安全范围之内的。从图五中看出最小应力集

中在坝顶部分，最大位移集中在坝踵处，符合实际。

2.2模态分析

模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域

中的应用。本文在静力分析的基础上，选用BlockLanczos方法进行模态分

析。

根据表一可得出1.一到十阶振型的频率一直增大；2.坝体振动有六个振型方向

是沿着x方向，即顺着河流方向。3.坝体振动有y方向和z方向都有两个；4.

六阶和七阶振型的频率很相近，需要注意。

3结论

在上述的条件下，通过有限元的分析，我们可以得到以下几点结论和建议：

（1）在静力荷载下，坝xyz三个方向的位移都不大，坝体安全可靠。

（2）在静力荷载下，坝体顺着x方向即河流方向应力主要是压应力，在坝踵出

出现应力集中区，符合实际。

（