基于ANSYS的阿海水电站静动力分析

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1、基于ANSYS的阿海水电站混凝土碾压重力坝静动力分析邹小红1，于跃2，张彩秀21河海大学水利水电学院，江苏南京（210098）2昆明勘测设计研究院，云南昆明（650051）E-mail：xiaohong84716@163.com摘要：采用大型通用软件ANSYS，通过对阿海水电站碾压混凝土重力坝方案各坝段分别进行平面有限元静力和动力分析，及静动结果叠加分析，探讨了坝体及基础在各种工况下的变形和应力规律，了解坝体和基岩在设计条件下的工作形态，对方案的可靠性进行了评价。关键词:ANSYS，静力分析，动力分析，谱分析，模态分析中图分类号：TV311TV3121.工程概况阿海水电站是以发电

2、为主，兼有库区航运、水土保持和旅游等综合效益的大型水电水利工程。电站正常蓄水位1504.00ｍ，相应库容8.06×108ｍ3，校核洪水位1507.23m，相应库容8.82×108m3，有效库容1.06×108m3，具有日调节性能。工程布置推荐方案的最大坝高138m，装机容量2000MW（5×400MW）。根据《防洪标准》（GB50201-94）及《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》（DL5180-2003）的规定，本工程按库容确定的工程等别为二等工程，工程规模为大（2）型；安装机容量确定的工程等别为一等工程，工程规模为大（1）型。由于本工程位于金沙江干流上，工程总体规模较大，故

3、最终确定为一等大（1）型工程，其主要水工建筑物大坝、泄洪、冲沙建筑物和引水发电建筑物属1级建筑物，结构安全级别为Ⅰ级。坝趾区基本烈度为7度，设计地震烈度采用8度。2计算内容及方法2.1计算内容通过阿海重力坝方案进行线性静动力有限元分析，给出坝体及基础在静动力荷载作用下的位移场与应力场等，以了解坝体和基岩在设计条件下的工作形态，对混凝土重力坝方案的可靠性进行评价。静力分析，采用线弹性材料进行模拟；动力分析，采用DL5073-1997《水工建筑物抗震设计规范》中所规定的振型分解反应谱法按弹性材料进行计算[5]。2.2计算工况计算考虑正常蓄水位工况、设计洪水位工况、校核洪水位工况、施工

4、期工况和地震工况，各工况荷载组合见表1[3,4]。表1计算工况及荷载组合-7-计算工况坝体自重静水压力(m)扬压力泥沙压力浪压力上游水位下游水位厂房下游水位基本组合正常蓄水位√1504.001411.866（1.5台机）1411.866（1.5台机）√√√设计洪水位(P=0.2％)√1504.001436.1581434.723√√√施工期工况√------偶然组合校核洪水位(P=0.02％)√1507.231439.8001437.297√√√地震工况正常蓄水位工况＋地震作用2.3　计算模型结合坝体结构及坝址地质情况选取非溢流坝段、溢流坝段、厂房坝段及左冲沙底孔坝段四个坝段进行

5、有限元分析，有限元模型见图1。模型的边界范围：坝体上、下游及坝底分别延伸2倍坝高。约束条件：上、下游两侧施加法向约束，底部施加全约束。坐标规定为：X为顺河向，上游指向下游为正；Y为竖直方向，向上为正；Z为横河向，左岸指向右岸为正。非溢流坝段溢流坝段厂房坝段左冲沙底孔坝段图1有限元模型2.4计算地震分析方法-7-重力坝的地震分析一般有动力法和静力法，本次计算采用动力法中的振型分解反应谱法进行重力坝的地震动力分析。它考虑了地震时地面的运动特性与结构自身的动力特性，是当前工程设计应用最为广泛的抗震设计方法。振型分解反应谱理论假设结构物最不利地震反应为其最大地震反应，这样就可以一次求出最

6、大地震内力或位移，节约了大量的计算时间和计算量，提高了计算效率。反应谱是将具有不同自振周期的单质点在许多地震过程中的最大反应值加以均化后按自震周期绘制的曲线。反应谱法的分析步骤主要是两部分:首先是建立模型后求得模态解，得到体系的自振频率和振型；然后将模态分析的结果同输入的加速度谱联系起来求解结构对应其各阶振型的地震作用效应后，再组合成结构的总地震作用效应。振型组合采用“SRSS”方式，计算考虑前10阶振型。坝体在地震作用下发生振动时，库水在上游坝面将产生动水压力，这相当于增加了坝体运动的惯性力，从而加大了地震荷载。所以需要考虑动水压力，按规范要求采用附加质量法进行，坝面附加质量按

7、下式计算[2]。式中：Pw(h)为地震动水压力；ah为地震加速度水平向代表值；ρw为水体质量密度；H0为水深；阻尼比采用Rayleigh比例阻尼假定，阻尼系数ξ=0.05。本次计算中同时计入水平向和竖向地震作用。计算参数如下：水平向设计地震加速度代表值ah＝0.344g，竖向设计地震加速度代表值av＝2*ah/3；特征周期Tg＝0.2（Ⅰ级场地）；设计反应谱最大值的代表值βmax＝2.0。动弹性模量为静弹性模量的1.3倍。根据《水工建筑物设计规范（DL5073－2000）》，总的