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1、第29卷第8期人民黄河Vol.29,No.82007年8月YELLOWRIVERAug.,2007【水利水电工程】基于ANSYS的土石坝施工过程仿真分析李宗坤,何芳婵,王建有,赵凤遥(郑州大学环境与水利学院,河南郑州450002)摘要:利用ANSYS的“生死单元”和二次开发功能,采用邓肯E-B模型,编制了土石坝静力分析的非线性有限元分析程序,实现了分层加载。对某土石坝施工过程进行了模拟分析,所得计算结果符合施工模拟逐层加载的计算规律,验证了模拟的可靠性。关键词:邓肯E-B模型;非线性;施工模拟;ANSYS二次开发;土石坝中图分类号:TV523文献标识码:A文章编号:1000-1379(2
2、007)08-0059-02土石坝在建造和运行过程中一般都要发生较大的变形,尤土工程界广泛采用的邓肯模型、清华K-G模型等本构模型,使其是地形突变、地质条件差异较大、坝体施工工艺不同或坝段得用户只能通过二次开发的方式来添加。邓肯E-B模型应用上升高度不同步时,局部会产生过大的变形和应力,当变形和较为广泛,其主要优点为:物理概念清晰,计算简单;模型参数应力超过坝体材料的承受能力时将产生裂缝。因此,在施工前少,且参数均可由常规三轴试验测定;应用时间较长,积累了大根据设计和施工方案,模拟坝体施工过程,计算出坝体在不同量的工程经验。基于以上原因,该研究也选用邓肯E-B模型。填筑高度的应力等值线和
3、沉降曲线,找出施工期和运行期大坝2.1邓肯E-B模型简介安全的薄弱环节,对科学、合理地安排施工过程具有技术指导该模型是邓肯-张根据康德(Konder)关于土料三轴试验意义。[3]的偏应力与轴向应变近似呈双曲线的假定而提出的。在假常规的有限元结构分析方法都是以竣工后的整体结构作定土石料抗剪强度符合摩尔-库仑(Moher-Coulomb)破坏准为分析对象,将各种荷载一次性加在结构上进行计算的,因此则的条件下,推导了切线弹性模量表达式:被称为一次性加载方法。这种计算方法忽略了施工过程和施(1-sinφ)(σ1-σ3)2σ3n工工艺对坝体应力、应变的影响,其结果与实际情况往往有较Et=[1-Rf
4、2]KPa()(1)ccosφ+2σ3sinφPa大差异,且计算的是竣工后的结果,不能分析施工过程中坝体式中:Rf为材料参数,称作破坏比;c为材料凝聚力;φ为内摩擦各部位的应力和应变。为了更准确地模拟土石坝的施工过程,角;K、n分别为切线模量基数和切线模量指数;Pa为单位大并分析施工过程中坝体可能出现的过大应力和应变,对ANSYS气压。[1]软件进行二次开发,以某土石坝的施工过程为例,进行了分切线体积模量按下式计算:层施工数值模拟。mBt=KbPa(σ3/Pa)(2)式中:Kb、m分别为无因次的体积模量系数和模量指数。1ANSYS模拟分层施工的原理对于卸荷情况,回弹模量Eur的计算公式为
5、n土石坝坝体分层施工,在进行有限元数值模拟时,必须随Eur=KurPa(σ3/Pa)(3)着施工层数的增加,相应地修改有限元模型。然而,通常情况下,有限元模型在分析计算前已经建好,并且在计算过程中不2.2模型的实现原理[2]能修改。为了解决这个问题,ANSYS软件提供了“生死单邓肯E-B模型是一种建立在增量广义虎克定律基础上的元”的功能,分别由EALIVE(激活)和EKILL(杀死)命令来实非线性变弹性模型,是通过不断改变其切线弹性模量来实现非现。“激活单元”是指结构在现有的受力状态下,将结构某个部线性的。在计算过程中,通过以下方式实现:取初始材料参数,位的单元激活,参加结构的受力和变形
6、;“杀死单元”是指在某施加第一步荷载,计算并读取单元应力,根据单元的当前应力一状态下,某些结构构件被删除,因此杀死对应的单元,使其不调用邓肯模型宏命令计算新的材料参数,代替初始材料参数;参与结构的受力和变形。在ANSYS软件中进行施工模拟的基施加第二步荷载,计算并读取应力增量,根据单元的当前应力本思路是:先建立结构的整体有限元模型,并且杀死所有单元,调用邓肯模型宏命令计算新的材料参数,以此类推。再根据施工过程依次激活单元。收稿日期:2007-02-182ANSYS中邓肯E-B模型的实现作者简介:李宗坤(1961—),男,河南南阳人,教授,主要研究尽管ANSYS程序提供了大量的本构模型,但
7、是不包括岩方向为大坝安全性分析。·60·人民黄河2007年以内。坝体向上下游的最大位移均为1.155cm,位于1/3～1/23土石坝施工模拟程序的思路坝高处,上下游的分布较对称。最大主应力和最小主应力沿坝轴线自底向上逐渐减小,且最大值发生在坝轴线附近靠近坝基采用ANSYS进行分析时,主要通过APDL(ANSYSPara2[4]处,分别为0.52MPa和0.09MPa。metricDesignLanguage)来实现。APDL是ANS
