何華志,李 瓊,劉 瑩

(1.臨海市水利局,浙江臨海 317000;2.杭州大地科技有限公司,浙江杭州 310012)

基于生死單元原理的拱壩體形優(yōu)化

何華志1,李 瓊1,劉 瑩2

(1.臨海市水利局,浙江臨海 317000;2.杭州大地科技有限公司,浙江杭州 310012)

以有限元軟件ANSYS10.0為平臺(tái),運(yùn)用生死單元理論,模擬壩體的施工澆注過程,同時(shí)考慮溫度荷載作為耦合荷載的形式對(duì)拱壩進(jìn)行應(yīng)力分析,對(duì)拱壩重力荷載分步作用和整體作用兩種情況下進(jìn)行結(jié)構(gòu)對(duì)比分析,得到了優(yōu)化的拱壩體形,使優(yōu)化后的壩體體積較小,更加符合實(shí)際應(yīng)用。

混凝土拱壩;ANSYS;生死單元;模擬澆注

0 引 言

隨著計(jì)算機(jī)硬件和軟件技術(shù)的發(fā)展,有限元法得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用,對(duì)于任何形狀的拱壩,可以考慮復(fù)雜的地形、地貌和地質(zhì)條件。結(jié)構(gòu)離散化是有限元分析的基礎(chǔ),離散化就是把求解的區(qū)域剖分成網(wǎng)格,把整體離散為各個(gè)單元,離散后的單元與單元之間利用單元的結(jié)點(diǎn)相互連接起來(lái),并構(gòu)成一個(gè)單元的集合體,這就是生死單元原理的應(yīng)用前提。所謂生死單元技術(shù)就是依照仿真進(jìn)程,在有限元模型中,自由地將局部單元的質(zhì)量矩陣和剛度矩陣乘以一個(gè)縮減因子,并同時(shí)刪除該單元節(jié)點(diǎn)上的載荷,從而達(dá)到殺死該單元的目的,再根據(jù)需要調(diào)整縮減因子的數(shù)值,重新激活單元的技術(shù)[1]。

本文以有限元軟件ANSYS10.0為平臺(tái),在建模時(shí),考慮施工過程,按施工縫對(duì)壩體剖分單元,以便順利實(shí)現(xiàn)施工過程仿真[2]。在計(jì)算時(shí),按照施工先后順序,將未施工部分的單元全部“殺死”,在計(jì)算完成并進(jìn)入下一載荷步時(shí),再將當(dāng)前施工部分的單元“激活”過來(lái),而先前施工完成的單元仍為活單元。當(dāng)所有施工計(jì)算完成時(shí),再將剖分的各壩塊相加使其成為一個(gè)整體,以此來(lái)實(shí)現(xiàn)拱壩的封拱。

1 工程算例應(yīng)用

1.1 工程概況

某水利樞紐工程主要由混凝土拋物線拱壩、泄洪洞及引水發(fā)電等建筑物組成。壩址處寬高比2∶1,為V型河谷,谷底對(duì)稱,寬50 m。平面上向下游收縮的喇叭形,壩肩巖體堅(jiān)硬完整,風(fēng)化深度淺,可看作整體無(wú)裂隙。拱壩最大壩高100 m,左、右岸頂拱拱圈中心曲線在壩肩的交點(diǎn)位于同一條水平線上[3],壩頂處左、右拱軸線弦長(zhǎng)分別為115 m、85 m。壩體的材料參數(shù)見表1,溫度特征值見表2。

表1 材料參數(shù)表

表2 溫度特征值表

1.2 溫度荷載作用

對(duì)拱壩來(lái)講,溫度作用是拱壩設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)主要荷載[4]。本文主要考慮的溫度荷載是以封拱溫度場(chǎng)為初始溫度場(chǎng)的壩體溫度場(chǎng)變化,根據(jù)規(guī)范溫升和溫降情況,確定計(jì)算模型溫度邊界條件,邊界溫度按年變化取值,并進(jìn)行有限元溫度場(chǎng)計(jì)算,然后,溫度場(chǎng)與封拱溫度的溫差作為溫度荷載對(duì)拱壩進(jìn)行應(yīng)力分析,作為拱壩所受荷載的一個(gè)荷載步。

在變化的溫度場(chǎng)中,溫度應(yīng)力的極值比氣溫極值一般滯后1月～1.5月,通常氣溫1月中旬最低,7月中旬最高,溫度應(yīng)力極值大致發(fā)生在2月中旬和8月中旬。根據(jù)溫度場(chǎng)的變化情況,將溫度荷載作用分為溫升、溫降兩個(gè)工況,即溫升荷載為水上表面24.37℃,水下表面溫度為模型內(nèi)部溫度場(chǎng)與封拱溫度的溫差;溫降荷載為水上表面9.83℃,水下表面溫度為模型內(nèi)部溫度場(chǎng)與封拱溫度的溫差;分拱溫度取為14℃。

1.3 模型建立

采用APDL參數(shù)化設(shè)計(jì)建立有限元模型[5]。壩體按高程方向分9層,壩體由右至左共分為26個(gè)壩塊。溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算采用相同的有限元模型,壩體和巖體采用10結(jié)點(diǎn)四面體等參單元?jiǎng)澐?結(jié)點(diǎn)總數(shù)8866,總單元5355個(gè),其中壩體單元1 643個(gè)。有限元計(jì)算模型網(wǎng)格劃分如圖1所示,模擬澆筑順序見圖2。結(jié)構(gòu)分析采用SOLID92,熱分析采用SOLID87,熱分析之后,再將熱分析單元SOLID87自動(dòng)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元SOLID92,進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。

1.4 優(yōu)化結(jié)果分析

此次自重荷載分步模擬優(yōu)化共迭代了19次,在迭代的開始階段各設(shè)計(jì)變量的取值差值波動(dòng)較大,隨著計(jì)算的進(jìn)行,波動(dòng)逐漸平緩,直到達(dá)到最優(yōu);整體優(yōu)化共迭代了21次,在第20次迭代時(shí)最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力滿足條件。分步模擬優(yōu)化后應(yīng)力結(jié)果分析見圖3～圖4,整體模擬優(yōu)化后應(yīng)力結(jié)果分析見圖5～圖6。由應(yīng)力圖圖3～圖6可以看出,分步模擬優(yōu)化優(yōu)化結(jié)果的上、下游面應(yīng)力分布比較合理,最大拉應(yīng)力主要發(fā)生在上游面右岸壩肩的中下部,最大壓應(yīng)力發(fā)生在下游面壩址處,且其最大拉應(yīng)力較整體模擬優(yōu)化結(jié)果有明顯減小,分步模擬優(yōu)化和整體模擬拱壩體型參數(shù)優(yōu)化結(jié)果比較見表3。分步計(jì)算整體優(yōu)化所得的壩體體積更小,其壩體體積較少了18.7%,大大減少工程量,節(jié)省投資。

圖1 壩體有限元模型

圖2 壩體澆注順序

表3 分步模擬優(yōu)化和整體模擬拱壩體型參數(shù)優(yōu)化結(jié)果比較表

圖3 分步模擬上游面第一主應(yīng)力分布圖

圖4 分步模擬下游面第三主應(yīng)力分布圖

2 結(jié) 語(yǔ)

圖5 整體模擬上游面第一主應(yīng)力分布圖

圖6 整體模擬下游面第三主應(yīng)力分布圖

本文以有限元軟件ANSYS10.0為平臺(tái),運(yùn)用生死單元理論,考慮溫度荷載作為耦合荷載的形式對(duì)拱壩進(jìn)行應(yīng)力分析,得到以下結(jié)論。

(1)利用“生死單元”可以較好地模擬施工過程,利用“單元死活”功能進(jìn)行模擬澆注分析,其位移值、應(yīng)力值都較真實(shí),可以很好地模擬拱壩分層、分塊澆注過程。

(2)自重計(jì)算對(duì)壩體應(yīng)力值有重要影響。拱壩自重分步施加相對(duì)于自重整體施加,壩體拉壓力、壓應(yīng)力分布規(guī)律沒有較大差異,但最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力的數(shù)值卻均有明顯減小。

(3)在拱壩進(jìn)行優(yōu)化分析時(shí)考慮施工過程,所得拱壩體形優(yōu)化結(jié)果更加接近實(shí)際,優(yōu)化后的壩體體積較小。

[1]王 棟,李守義,曹 蔚.基于ANSYS的拱壩體形優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào),2005,(4):51-55.

[2]中華人民共和國(guó)水利部.SL282—2003.混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)水利水電出版社,2003.

[3]陳知淵.拱壩及其優(yōu)化方法的發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),2000,(4):91-93.

[4]朱伯芳,高季章,陳祖煜,等.拱壩設(shè)計(jì)與研究[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2002.

[5]朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制[M].北京:中國(guó)電力出版社,1999.

Shape Optimization of Arch Dam Based on Principle of Life and Death Unit

HE Hua-zhi1,LI Qiong1,LIU Ying2
(1.Linhai City Water Conservancy Bureau,Linhai,Zhejiang317000,China;2.HangzhouDadi Science and Technology Co.,Ltd.,Hangzhou,Zhejiang310012,China)

Taking the finite element software ANSYS 10.0 as a platform and using the life and death unit theory,the casting process in dam-body construction is simulated here.Simultaneously,taking into account the temperature load as the coupling load,the stress analysis is made for the arch dam,and under two conditions of the step-by-step role and overall role of the arch dam's gravity load,the comparison analysis ismade for the structure,then the arch dam's shape is optimized,which would make the dam body smaller and more realistic in application.

concrete arch dam;ANSYS;life and death unit;simulation casting

TV642.4

A

1672—1144(2012)05—0155—03

2012-04-10

2012-05-20

何華志(1963—),男(漢族),浙江臨海人,工程師,主要從事水利工程施工與管理工作。