一、课题背景
一座大坝的建成，往往要耗费一两年甚至更长的时间，并且大坝往往涉及到其下游千万人的生命与财产，因此经济效益和安全可靠是两个十分重要的问题。如何保证结构安全可靠，一是要求结构设计合理，二是要科学地安排施工期。对于这样重要而影响因素复杂的建筑物，采用试验来模拟成本太高、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。现在普遍采用的方法是数值模拟技术即计算机仿真，其中以ANSYS有限元分析软件的应用最为普遍。 二、课题分析
1．重力坝的工作原理及特点
重力坝是用浆砌石或混凝土材料修筑而成的挡水建筑物。一般做成上游面近似垂直的三角形断面，主要依靠坝体的重量，在坝体和地基接触而间产生抗剪强度或摩擦力，来抵抗水库的水推力，以达到稳定的要求：同时依靠坝体自重产生的压应力来抵消由于水压力所引起的 坝体上游侧面拉应力，以满足坝身强度的要求。重力坝具有以下几个特点：
在枢纽布置中，重力坝的泄水问题比较容易解决．在重力坝坝体内还容易布置泄水孔或水电站的引水管道等。
重力坝地基承受很大的压力作用，对地基的要求比-殷的土石坝要高，但比拱坝的要求低，量力坝一般修建在岩基上。
重力坝易于通过较低坝块或底孔进行导流，比土石坝施工导流更为简单和安全。
重力坝是大体积混凝土，施工时混凝土的水化发热和散热、硬化收缩．将引起坝体内温度和收缩应力，可能使坝体产生裂缝。
坝体材料和地基在一定程度上都是透水的，埂体和地基内的渗流会产生渗透压力。
坝体内的应力分布一般不均匀，较多部位的压应力通常不是很大，没有充分发挥材料的性能。
2．重力坝的戴荷
作用在重力坝上的载荷主要有以下几种：坝体及其坝上永久设备的自重，上下游坝面上的静水压力，溢流坝反弧段上的动水压力、扬压力、、‘泥沙压力、浪压力、冰压力、地震载荷等。
◆水压力
作用在坝面上的静水压力可按静水力学原理计算，分为水平及垂直两个方向进行；溢流重力坝泄水时，由于动量守恒，泄流面上回产生动水压力。由图8-1可知：
静水水平力：
静水垂直力：
式中，H1、H2为上、下游水深； 为水的容重；m，n为上、下游坝面坡度。泄水时动水压力的计算可参考《水工建筑物》。
◆ 扬压力
混凝土内存在着空隙，坝基岩石本身的空隙率很小，但存在着节理裂缝，这就导致在水库蓄水后，在上、下游水位差的作用下，库水会经过坝体及坝基渗向下游，不但造成库容损失，还会引起渗透压力，使坝体的有效重量减小。
库水经坝基向下游渗透时，渗透水流沿程受到阻力，造成水头损失，如图8-1所示上游坝踵处的扬压力强度为，下游坝址处的扬压力强度为。通常假设从坝踵到坝址呈直线变化。途中矩形部分是下游水深H2形成的上举力，即托浮力：三角形部分是由上下游水位差形成的渗透水流产生的上举力，即渗透压力。坝底扬压力是托浮力与渗透压力之和。
◆ 地震载荷
地震载荷包括由建筑物质量引起的地震惯性力、地震动水压力、动土压力，至于地震对扬压力、浪压力的影响，因其数值较小，常不予考虑。
3．重力坝有限元建模：
由有限元法求解坝体和基岩位移和应力应变响应时，关键是整体刚度矩阵K。对于一般的水库大坝，其刚度矩阵应该由坝体和基岩等单元刚度矩阵组合而成，即K=K1+K2。
其中K1表示坝体单元的总刚度矩阵，既受坝体自身刚度的影响，又受基硇腑索的影响；
K2表示基岩单元的总刚度矩阵，主要取决于所考虑的范围大小及边界约束条件。数值模拟
计算只能在有限的区域内进行，为了减小计算误差，必须选取合适的计算范圈。
根据圣维南原理，若大坝的基础（含坝基和两侧岩石），越大大，则基础边界约束条件的变化情况对坝体中应力和位移的影响越小。由实际工程研究可知，当坝体的基础尺寸达到一定范围后，坝体的应力和位移几乎不受计算范围的影响。所以，在进行一般的水坝数值仿真分析时，有必要先完成如下分析：在外部、内部条件一致的条件下，改变大坝基础的尺寸，完成相应的分析，比较分析结果，选择合适的基础尺寸。
三、课题内容
某一混凝土重力坝，断面如图8-2所示，坝高180m，上游坡面垂直，下坡面系数m=0.75。坝基上游取1.5倍坝高，下游取2倍坝高，坝基深度取2倍坝高，埂顶长1.5倍坝高，坝顶宽0.1倍坝高。上游库容lOOm，下游水位800。具体材料如下。
(1)大坝：100m以下混凝土，弹性模量E=2.85e10Pa，泊松比为v=0.167，密度为2400kg/m3，张开剪切传递系数为0.3，抗拉强度ft=1.96e6Pa,扰压强度ft=22e6Pa；100m以上混凝土，弹性模量E=2.6e10Pa，泊松比为。密度为2400kg/m3。张开剪切传递系数为0.3，抗拉强度fc=1.2e6Pa，抗压强度ft=17.5e6Pa。
(2)基岩：弹性模量E=2.9e10Pa，泊松比为0.3．密度为2600kg/m3。
(3)根据水工建筑抗震设计规范，对于重力坝，反应谱代表值为，，其表达式为：
计算的基本假定：
坝体和坝基连续，即坝体与坝基之间紧密联系在一起；
防粘贴油漆>溢水杯 坝基和坝体的材料是均匀的，非线性的；
基岩模型采用线弹性本构模型。
四、建模与后处理
重力坝模型
重力及上游静水压力
下游静水压力
线型灯上游水位产生的渗透压力
扬压力
X方向变形图
Y方向变形图
第一主应变
第一主应力
第一阶变形图
第三阶变形图
第五阶变形图
第一阶第一主应力分布
第一阶第一主应变分布
同轴电缆接头
第四阶第一主应力分布
第四阶第一主应力分布
坝顶中部节点的位移变化图
五、计算结果分析语音系统
由第一主应变的分布我们可以看出，最大第一主应变（拉应变）出现在坝顶，在下游面与两侧岩石连接处也出现了较大的拉应变，这将可能导致混凝土开裂；
第一主应力的分布中我们可以看出，其最大的应力值是1.88Mpa，显然这个值小于混凝土的抗拉强度，但是混凝土中还是出现了裂缝，原因是混凝土开裂后将不能传递拉应力；
在反应谱的作用下，第一阶最大的第一主应力和主应变将出现在上游坝的两侧处，此处的混凝土将首先开裂；
>带隙基准电压源
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