劉忠民

（遼寧潤中供水公司，遼寧沈陽110006）

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土壩施工變形模擬中ANSYS計算沉降失真問題的處理

劉忠民

（遼寧潤中供水公司，遼寧沈陽110006）

［摘 要］本文提出了土石壩施工分層填筑過程模擬中所出現(xiàn)的壩體沉降計算失真的問題，通過分析ANSYS軟件計算機理發(fā)現(xiàn)了產生計算失真的原因，并提出了有效解決計算施工期豎向變形失真問題的兩種方法。

［關鍵詞］土石壩；變形計算；有限元；ANSYS；失真

專用軟件對專業(yè)問題有實用方便的優(yōu)點，但靈活性不夠，往往用戶難以具備所有需求的專用軟件，應用通用的商用有限元軟件及二次開發(fā)解決實際工程問題是一個可行的解決途徑。目前，在土石壩的沉降計算模擬中，分層填筑模擬法已得到壩工界的普遍認同，但用ANSYS模擬土石壩施工分層填筑過程中，遇到了豎向變形的計算結果不符合工程的施工實際問題，為此，需要分析ANSYS軟件的計算原理，研究解決方法，以便計算模擬成果更好為工程實際服務。

1　出現(xiàn)的問題

土石壩施工變形計算必須模擬壩體的施工過程，ANSYS軟件提供了單元的生死控制來對應解決。建模時整體建立，包括基礎和將施工的分層壩體，施加全部荷載和邊界條件，求解前殺死除基礎外的所有單元，計算采用牛頓-拉普森增量控制過程，各步分別激活相應施工層單元，從基礎開始逐層求解。

如圖1所示的抽象均質土壩的主要參數(shù)為：基礎20 m深覆蓋層，彈性模量6.0×107Pa，泊松比0.3，容重2 000 kg/m3，壩體高100 m，上下游邊坡1.0∶2.5，壩體填筑材料彈性模量2.0×107Pa，泊松比0.36，容重1 800 kg/m3。

計算成果如圖2和圖3所示。壩體豎向應力分布符合一般規(guī)律，最大值為1.77 MPa；但是，豎向變形達2.83 m，最大施工變形在壩頂處，是不符合施工實際的，所以計算失真。

圖1　抽象壩體模型

圖2　壩體豎向應力

圖3　壩體豎向變形

2　土壩變形計算失真問題的兩種處理方法

壩體豎向施工期變形計算不符合是由于單元的生死機理造成的，這一點可由ANSYS的計算處理過程來說明。

靜力問題有限元基本方程是：

式中：｛δ｝為位移向量；｛P｝為荷載向量；［K］是結構總體剛度矩陣，由各個單元的剛度矩陣集成。即：

對設置有生死單元控制的計算命令流，程序將有限元方程改寫為：

當單元處于激活狀態(tài)，ηe取1，當單元處于殺死狀態(tài)，ηe取一個很小的數(shù)值，如10-8，讓被殺死單元不影響處于激活狀態(tài)單元系統(tǒng)的計算。同時，取消被殺死單元相應的荷載。

由此分析前面土石壩的計算，通過生死單元控制，有效地模仿了壩體的施工過程，應力成果是正確的，這是由于應力計算結果是各層荷載增量產生的應力增量疊加形成，應力增量與激活狀態(tài)單元變形增量有關，處于殺死狀態(tài)的變形總量對應力增量計算影響很小。對于變形計算，可以形象想象被殺死的單元就像彈性薄膜一樣存在于整體結構模型中，不起作用，卻跟隨下面的施工層沉降，累計變形，出現(xiàn)上部很大變形數(shù)值。實際施工過程，各層的沉降是得到不斷補填的，不控制的生死單元模擬施工是不合理的。

為了解決這個問題，可以減掉該層施工前的變形或是約束被殺死單元的節(jié)點兩種方法。這樣，各模擬層處于填筑設計高度，既不影響結構應力，又相當于考慮了施工影響。計算結果如圖4，5所示。

圖4　約束后壩體豎向應力

圖5　約束后壩體豎向變形

是否約束將來施工層兩種計算結果比較，豎向應力一致，最大應力值1.78 MPa，約束后壩體豎向施工變形處于內部，分布合理，最大值1.59 m。

另一方法減掉該層施工前的變形，記錄無約束情況下壩體節(jié)點位移，各點位移減去單元激活前累計位移，與上述結果完全一致，壩頂中間節(jié)點連續(xù)10個施工層位移值為0.118，0.240，0.417，0.650，0.944，1.300，1.722，2.195，2.670，3.006。

壩頂施工期位移值為3.006-2.67=0.336 m，與前面的約束將來施工層算法結果相同。

通過前面計算結果可見，本文提出的減掉該層施工前的變形、約束被殺死單元的節(jié)點兩種方法，解決了ANSYS模擬土石壩施工分層填筑過程中豎向變形計算結果不符合工程實際的問題，為有限元軟件專業(yè)應用提供了一點借鑒。

為簡化論述問題，文中土料采用線彈性模型，實際工程可采用鄧肯-張非線性彈性模型，用APDL參數(shù)化設計語言編寫宏命令，或者二次開發(fā)USRMAT材料子程序，與ANSYS主程序鏈接，直接調用用戶生成的ANSYS.exe進行計算。

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［中圖分類號］TV641.2；TV698

［文獻標識碼］A

［文章編號］1002—0624（2016）07—0021—02

［收稿日期］2016-03-28