基于ANSYS的土石坝施工过程仿真分析_李宗坤.pdf

第29卷第8期人民黄河Vol.29,No.8
2007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(2007)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。的偏应力与轴向应变近似呈双曲线的假定而提出的[3]。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φσσσ
(1-sin)(1-3)23n
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]KPa()(1)
2ccosφ+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。
软件[1]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。m
Bt=KbPa(σ3/Pa)(2)
式中、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:Kbm
对于卸荷情况,回弹模量Eur的计算公式为
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“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
2ANSYS中邓肯E-B模型的实现:2007-02-18
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1/3～1/2
3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