混凝土重力坝动力特性仿真计算方法研究 王 艳，辛全才，刘 艳 ，崔 娜 (西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100) 摘 要：在 8度设防烈度下，应用大型有限元软件 ANSYS建立某混凝土重力坝的三维有限元模型，采用峰值调整后的天 津地震波进行 了动力响应时程分析，分别采用固定连接和接触算法考虑坝体与地基的相互作用关系。计算结果表明：在 坝体与地基两种相互作用计算模型中，数值仿真结果的基本规律是一致的，但接触计算模型中大坝的动力响应显著降 低 ，实际计算 时应将两者结合使 用。 关 键 词：混凝土重力坝；地震载荷；动力分析；有限元仿真 中图分类号 ：TV642 文献标识码 -A doi：10．3969／j．issn．1000—1379．2010．03．064 混凝土重力坝是水利工程 中常见的一种大体积挡水建筑 物 ，在其工作周期 内常受 到地震荷 载的作用 。从 国内外 已有 的 经受过强震作用的混凝土重力式高坝的震害实例来看 ，大坝虽 未出现整体失稳或毁坏的情况，但却在上部出现了上下游贯穿 性 的裂缝 … ，说 明高重力坝存在抗震薄弱部位 。 计算机技术 的迅猛发展 ，使数值仿 真计算在大坝 抗震安全 设计 中起到了越来 越重要的作用 ，选择合理 的计算模 型与仿 真方法，对提高有限元计算结果的有效性至关重要。而在大坝 承受地震荷载的动态响应计算中，坝体与周 围岩石及地基的连 接方式对数值计算结 果有很 大 的影 响 。笔者 利用 大型有 限元 通用软件 ANSYS建 立仿 真模 型 ，对某 大坝 与基 础分 别采 用 固 定连接和接触算法进行了计算，并比较和分析了计算结果。 固定连接与接触的定义 在有限元中，固定连接与接触是用来描述相邻两个结构相 互关系的两种方法。固定连接是指两个相邻结构的单元之间 共用节点，相互之间没有相对位移，应力和变形均完整地传递， 相邻单元的应变是连续的。接触是指相邻结构的单元不共用 节点，两者之间有相对位移，比如错动、摩擦等。在接触关系 中，应力和变形不完全传递，相邻单元的应力应变等是不连续 的。而实 际上 ，大坝与地 基连接不 是单纯 的固定 连接或者接触 的关 系 ，既有坝体与基岩 的共 同运动 ，也 有两者 之间 的相对 滑 动 ，这使有 限元仿真存在 一定 的误差 ，因此 要通过 比较 ，找 出更 切合实际的计算方法。 2 计算过程与结果分析 2．1 计算参数 坝址区地震设计烈度为 8度 ，按照 《水工 建筑 物抗震 设计 规范》(DI5073-2000)查得水平向设计地震动加速度代表值 口h为 0．2g。该混凝土重 力坝坝 高 180m，坝顶长 540m，上游 · 138 · 坡面垂直 ，下 游坡 面系数为 0．75。按照规 范 ，混凝 土动 态强度 和动态弹性模量的标准值可较其静态标准值提高 30％，混凝土 动态抗拉强度的标准值可取动态抗压强度标准值的 8％。坝体 弹性模量为 36．4kN／mm ，泊松 比为 0．167，容重 为 24kN／m ； 岩基的弹性模量为 29．0kN／mm ，泊松 比为 0．3。 2．2 计算模型及荷载 地基沿上下游及深度方向各取 1．5倍坝高范围进行计算 ， 坝体及地基采用空间 8节 点六 面体 单元剖分 ，地基周边 取法向 约束。按最不利原则组合静态、坝体 自重、上下游静水压力及 坝基扬压力和动态反应 得到 综合 反应。地震 选用 峰值调 整后 的天津地震波，由地基底部均匀输人 ，只考虑地基的弹性作用 ， 消除坝基对地震的放大 作用 ，取垂 直方 向和顺 河 向的记 录，计 算中按照 0．1s的间隔取值 ，记 录时长 19．11s。有 限元 计算模 型见图 1。

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