費(fèi)強(qiáng)　苑鵬

（遼寧省大伙房水庫(kù)管理局　遼寧　撫順　113000）

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橡膠壩壩底板承載力變化的數(shù)值模擬

費(fèi)強(qiáng)苑鵬

（遼寧省大伙房水庫(kù)管理局遼寧撫順113000）

摘要本文以實(shí)際工程橡膠壩底板為分析對(duì)象，建立壩底板數(shù)值模型，采用ANSYS有限元分析軟件模擬了橡膠壩底板的承載變化情況，分析了壩底板在危險(xiǎn)工況下的位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，以及壩底板齒墻尺寸的改變對(duì)該結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移分布的影響，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，壩底板厚度為0.7m時(shí)，各項(xiàng)條件符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，與實(shí)際工程情況相接近，模擬效果較好，可為類似水工結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞橡膠壩；數(shù)值模擬；ANSYS；承載力；力學(xué)分析

橡膠壩工程壩底板承載著其上壩袋內(nèi)外的水重和水壓的荷載，并將承受的荷載傳向地基，壩底板必須具有足夠的堅(jiān)固性、整體性、抗?jié)B性、耐久性。隨著實(shí)驗(yàn)手段和測(cè)試方法的進(jìn)步，人們對(duì)此進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，探討了壩底板荷載，為進(jìn)一步建立相應(yīng)的力學(xué)模型奠定了基礎(chǔ)。但是對(duì)于影響因素復(fù)雜的建筑物，采用試驗(yàn)?zāi)M成本太高、周期太長(zhǎng)、難以通過改變?cè)囼?yàn)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)及優(yōu)化，而且許多復(fù)雜情況無(wú)法用試驗(yàn)進(jìn)行模擬。因此普遍采用的方法是數(shù)值分析技術(shù)即計(jì)算機(jī)仿真，其中有限單元法是最有效地?cái)?shù)值計(jì)算方法之一，最為普遍。數(shù)值分析對(duì)于模擬諸如大壩、水電站蝸殼、渡槽、導(dǎo)管平臺(tái)以及孔閘等建筑物的力學(xué)行為具有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，可以對(duì)這些結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析計(jì)算，并且可以進(jìn)行防滲計(jì)算。在計(jì)算中可以考慮水壓力、淤砂壓力、溫度場(chǎng)、滲流場(chǎng)、重力場(chǎng)作用，可模擬砼裂縫的形態(tài)和發(fā)展過程。在本文中，以橡膠壩的壩底板為分析對(duì)象，采用ANSYS有限元分析軟件對(duì)壩底板在危險(xiǎn)工況下的位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)橡膠壩壩底板的結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化，為類似水工結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供方法和理論依據(jù)。

1　數(shù)值模型建立

1.1基本假定

（1）假定壩底板材料滿足連續(xù)性、均勻性、各向同性，且在小變形條件下工作。

（2）壩底板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問題。

根據(jù)彈性力學(xué)理論，平面應(yīng)變問題是指具有很長(zhǎng)的縱向軸的柱形物體，橫截面大小和形狀沿軸線長(zhǎng)度不變；作用外力與縱向軸垂直，并且沿長(zhǎng)度方向保持不變；柱體的兩端受固定約束的彈性體。這種彈性體的位移將發(fā)生在橫截面內(nèi)，可以簡(jiǎn)化為二維問題。

1.2計(jì)算區(qū)域

壩底板簡(jiǎn)化成平面應(yīng)變問題后，有限元計(jì)算區(qū)域取壩底板的橫截面，計(jì)算區(qū)域和網(wǎng)格劃分如圖1。

1.3荷載及邊界條件

作用在壩底板上的荷載可分為基本荷載和特殊荷載兩類，本次按基本荷載的正常擋水情況設(shè)計(jì)，只考慮了底板自重、靜水壓力、揚(yáng)壓力、基底壓力等荷載，不考慮浪壓力和地震荷載。荷載計(jì)算見表1。

由于壩底板是固定在河床內(nèi)的，所以其上、下游以及齒墻下端的約束是固定約束邊界。

1.4計(jì)算參數(shù)

計(jì)算結(jié)果如表2所示。

圖1　壩底板橫截面圖(單位：mm)

表1　設(shè)計(jì)洪水位載荷計(jì)算

表2　計(jì)算參數(shù)

1.5單元選擇和網(wǎng)格劃分

(1)單元類型

由于壩體兩端固定，只有x、y方向的應(yīng)變，故可以簡(jiǎn)化成平面應(yīng)變問題進(jìn)行分析。對(duì)于平面應(yīng)變問題，工程中常用的平面單元，plane單元：用于建立2維實(shí)體結(jié)構(gòu)模型。本單元既可用作平面單元，也可以用作軸對(duì)稱單元。本單元有4個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有2個(gè)自由度，分別為x和y方向的平移。本單元具有塑性、蠕變、輻射膨脹、應(yīng)力剛度、大位移以及大應(yīng)變的能力，并有一個(gè)選項(xiàng)可以支持額外的位移形狀。本次分析建立模型采用plane42平面單元，采用自底向上的建模方法。

(2)網(wǎng)格劃分

采用自由網(wǎng)格劃分，即無(wú)單元性狀限制，網(wǎng)格也不遵循任何模式，適合于復(fù)雜形狀的面和體劃分。

2　數(shù)值模擬結(jié)果

根據(jù)對(duì)壩底板的力學(xué)分析，對(duì)壩底板進(jìn)行模擬分析。根據(jù)壩底板厚度變化，找出危險(xiǎn)區(qū)域的變化趨勢(shì)，從而選出最適合厚度。

2.1不同厚度壩底板應(yīng)力分布

圖1　危險(xiǎn)點(diǎn)處主應(yīng)力隨壩底板厚度變化圖

厚度為0.8m壩底板的三個(gè)主應(yīng)力分布，第一主應(yīng)力σ1最大值發(fā)生在距離上游端6.5m，大小為0.488×107Pa；第二主應(yīng)力σ2最大值發(fā)生在距離上游端6.5m，大小為0.094× 107Pa；第三主應(yīng)力σ3最大值發(fā)生在距離上游端1.1m，大小為0.407×107Pa。

厚度為0.7m壩底板的三個(gè)主應(yīng)力分布，第一主應(yīng)力σ1最大值發(fā)生在距離上游端6.5m，大小為0.735×107Pa；第二主應(yīng)力σ2最大值發(fā)生在距離上游端6.5m，大小為0.128× 107Pa；第三主應(yīng)力σ3最大值發(fā)生在距離上游端6.5m，大小為0.516×107Pa。

厚度為0.6m壩底板的三個(gè)主應(yīng)力分布，第一主應(yīng)力σ1最大值發(fā)生在距離上游端6.5m，大小為1.26×107Pa；第二主應(yīng)力σ2最大值發(fā)生在距離上游端6.5m，大小為0.313× 107Pa；第三主應(yīng)力σ3最大值發(fā)生在距離上游端6.5m，大小為0.924×107Pa。

厚度為0.5m壩底板的三個(gè)主應(yīng)力分布，第一主應(yīng)力σ1最大值發(fā)生在距離上游端1.2m，大小為0.957×107Pa；第二主應(yīng)力σ2最大值發(fā)生在距離上游端6.5m，大小為0.285× 107Pa；第三主應(yīng)力σ3最大值發(fā)生在距離上游端4m，大小為1.08×107Pa。

2.2不同厚度壩底板的u和v位移

圖2　危險(xiǎn)點(diǎn)處u方向位移隨壩底板厚度變化

圖3　危險(xiǎn)點(diǎn)處v方向位移隨壩底板厚度變化

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

2.3壩底板厚度對(duì)壩底板危險(xiǎn)處應(yīng)力和位移的影響

2.3.1壩底板厚度對(duì)應(yīng)力的影響

壩底板厚度為0.6m時(shí)，第一主應(yīng)力σ1最大為1.26×107Pa；壩底板厚度為0.8m時(shí)，第一主應(yīng)力σ1最小為0.488×107Pa。壩底板厚度為0.6m時(shí)，第二主應(yīng)力σ2最大為0.313×107Pa；壩底板厚度為0.8m時(shí)，第二主應(yīng)力σ2最小為0.094×107Pa。壩底板厚度為0.5m時(shí)，第三主應(yīng)力σ3最大為1.06×107Pa；壩底板厚度為0.8m時(shí)，第三主應(yīng)力σ3最小為0.407×107Pa。

2.3.2壩底板厚度對(duì)位移的影響

壩底板厚度為0.5m時(shí)，u方向位移最大為0.673×10-3m；壩底板厚度為0.8m時(shí)，u方向位移最小為0.232×10-3m。壩底板厚度為0.5m時(shí)，v方向位移最大為5.42×10-6m；壩底板厚度為0.8m時(shí)，v方向位移最小為0.101×10-3m。

3　結(jié)語(yǔ)

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，壩底板厚度為0.7m時(shí)，各項(xiàng)條件符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，且用料最少，造價(jià)最低，經(jīng)過穩(wěn)定校核計(jì)算，結(jié)果滿足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性條件。本文采用有限元方法仿真模擬壩底板的承載變化情況，由于計(jì)算軟件本身的局限性以及模型參數(shù)設(shè)定的限制，計(jì)算結(jié)果存在一定的偏差，有待于有限元計(jì)算模型進(jìn)一步改進(jìn)。陜西水利

（責(zé)任編輯：暢妮）

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