橡胶坝坝底板承载力变化的数值模拟

2016-07-19费强苑鹏

陕西水利 2016年1期

关键词：橡胶坝数值模拟承载力

费强　苑鹏

（辽宁省大伙房水库管理局　辽宁　抚顺　113000）

橡胶坝坝底板承载力变化的数值模拟

费强苑鹏

（辽宁省大伙房水库管理局辽宁抚顺113000）

摘要本文以实际工程橡胶坝底板为分析对象，建立坝底板数值模型，采用ANSYS有限元分析软件模拟了橡胶坝底板的承载变化情况，分析了坝底板在危险工况下的位移场和应力场，以及坝底板齿墙尺寸的改变对该结构应力和位移分布的影响，根据数值模拟结果，坝底板厚度为0.7m时，各项条件符合设计标准，与实际工程情况相接近，模拟效果较好，可为类似水工结构的优化设计提供理论依据。

关键词橡胶坝；数值模拟；ANSYS；承载力；力学分析

橡胶坝工程坝底板承载着其上坝袋内外的水重和水压的荷载，并将承受的荷载传向地基，坝底板必须具有足够的坚固性、整体性、抗渗性、耐久性。随着实验手段和测试方法的进步，人们对此进行了大量的实验研究，探讨了坝底板荷载，为进一步建立相应的力学模型奠定了基础。但是对于影响因素复杂的建筑物，采用试验模拟成本太高、周期太长、难以通过改变试验参数进行设计及优化，而且许多复杂情况无法用试验进行模拟。因此普遍采用的方法是数值分析技术即计算机仿真，其中有限单元法是最有效地数值计算方法之一，最为普遍。数值分析对于模拟诸如大坝、水电站蜗壳、渡槽、导管平台以及孔闸等建筑物的力学行为具有强大的优势，可以对这些结构的稳定性和应力状态进行分析计算，并且可以进行防渗计算。在计算中可以考虑水压力、淤砂压力、温度场、渗流场、重力场作用，可模拟砼裂缝的形态和发展过程。在本文中，以橡胶坝的坝底板为分析对象，采用ANSYS有限元分析软件对坝底板在危险工况下的位移场和应力场进行了数值模拟，并对数值模拟结果进行了分析，实现对橡胶坝坝底板的结构形式优化，为类似水工结构的优化设计提供方法和理论依据。

1　数值模型建立

1.1基本假定

（1）假定坝底板材料满足连续性、均匀性、各向同性，且在小变形条件下工作。

（2）坝底板结构简化为平面应变问题。

根据弹性力学理论，平面应变问题是指具有很长的纵向轴的柱形物体，横截面大小和形状沿轴线长度不变；作用外力与纵向轴垂直，并且沿长度方向保持不变；柱体的两端受固定约束的弹性体。这种弹性体的位移将发生在横截面内，可以简化为二维问题。

1.2计算区域

坝底板简化成平面应变问题后，有限元计算区域取坝底板的横截面，计算区域和网格划分如图1。

1.3荷载及边界条件

作用在坝底板上的荷载可分为基本荷载和特殊荷载两类，本次按基本荷载的正常挡水情况设计，只考虑了底板自重、静水压力、扬压力、基底压力等荷载，不考虑浪压力和地震荷载。荷载计算见表1。

由于坝底板是固定在河床内的，所以其上、下游以及齿墙下端的约束是固定约束边界。

1.4计算参数

计算结果如表2所示。

图1　坝底板横截面图(单位：mm)

表1　设计洪水位载荷计算

表2　计算参数

1.5单元选择和网格划分

(1)单元类型

由于坝体两端固定，只有x、y方向的应变，故可以简化成平面应变问题进行分析。对于平面应变问题，工程中常用的平面单元，plane单元：用于建立2维实体结构模型。本单元既可用作平面单元，也可以用作轴对称单元。本单元有4个节点，每个节点有2个自由度，分别为x和y方向的平移。本单元具有塑性、蠕变、辐射膨胀、应力刚度、大位移以及大应变的能力，并有一个选项可以支持额外的位移形状。本次分析建立模型采用plane42平面单元，采用自底向上的建模方法。

(2)网格划分

采用自由网格划分，即无单元性状限制，网格也不遵循任何模式，适合于复杂形状的面和体划分。

2　数值模拟结果

根据对坝底板的力学分析，对坝底板进行模拟分析。根据坝底板厚度变化，找出危险区域的变化趋势，从而选出最适合厚度。

2.1不同厚度坝底板应力分布

图1　危险点处主应力随坝底板厚度变化图

厚度为0.8m坝底板的三个主应力分布，第一主应力σ1最大值发生在距离上游端6.5m，大小为0.488×107Pa；第二主应力σ2最大值发生在距离上游端6.5m，大小为0.094× 107Pa；第三主应力σ3最大值发生在距离上游端1.1m，大小为0.407×107Pa。

厚度为0.7m坝底板的三个主应力分布，第一主应力σ1最大值发生在距离上游端6.5m，大小为0.735×107Pa；第二主应力σ2最大值发生在距离上游端6.5m，大小为0.128× 107Pa；第三主应力σ3最大值发生在距离上游端6.5m，大小为0.516×107Pa。

厚度为0.6m坝底板的三个主应力分布，第一主应力σ1最大值发生在距离上游端6.5m，大小为1.26×107Pa；第二主应力σ2最大值发生在距离上游端6.5m，大小为0.313× 107Pa；第三主应力σ3最大值发生在距离上游端6.5m，大小为0.924×107Pa。

厚度为0.5m坝底板的三个主应力分布，第一主应力σ1最大值发生在距离上游端1.2m，大小为0.957×107Pa；第二主应力σ2最大值发生在距离上游端6.5m，大小为0.285× 107Pa；第三主应力σ3最大值发生在距离上游端4m，大小为1.08×107Pa。

2.2不同厚度坝底板的u和v位移

图2　危险点处u方向位移随坝底板厚度变化

图3　危险点处v方向位移随坝底板厚度变化

厚度0.8m坝底板u方向最大位移为0.232×10-3m，距离上游1.4m；v方向最大位移为0.101×10-6m，距离上游1m。厚度0.7m坝底板u方向最大位移为0.309×10-3m，距离上游1.4m；v方向最大位移为0.574× 10-6m，距离上游0.5m。厚度0.6m坝底板u方向最大位移为0.441×10-3m，距离上游1.4m；v方向最大位移为1.22×10-6m，距离上游7.5m。厚度0.5m坝底板u方向最大位移为0.673×10-3m，距离上游1.4m；v方向最大位移为5.42×10-6m，距离上游7.3m。

2.3坝底板厚度对坝底板危险处应力和位移的影响

2.3.1坝底板厚度对应力的影响

坝底板厚度为0.6m时，第一主应力σ1最大为1.26×107Pa；坝底板厚度为0.8m时，第一主应力σ1最小为0.488×107Pa。坝底板厚度为0.6m时，第二主应力σ2最大为0.313×107Pa；坝底板厚度为0.8m时，第二主应力σ2最小为0.094×107Pa。坝底板厚度为0.5m时，第三主应力σ3最大为1.06×107Pa；坝底板厚度为0.8m时，第三主应力σ3最小为0.407×107Pa。

2.3.2坝底板厚度对位移的影响

坝底板厚度为0.5m时，u方向位移最大为0.673×10-3m；坝底板厚度为0.8m时，u方向位移最小为0.232×10-3m。坝底板厚度为0.5m时，v方向位移最大为5.42×10-6m；坝底板厚度为0.8m时，v方向位移最小为0.101×10-3m。