（湖南省湘西州水利水电勘测设计研究院 吉首 416000）
摘要：利用通用有限元仿真分析软件ANSYS实体单元系统分析了大坝坝后背管在内水压力荷载作用下的内力情况，同时简要介绍了ANSYS软件在对混凝土结构进行分析时的材料定义、建模、网格划分、求解及结果分析过程，可为相关ANSYS软件应用提供参考。
关键词：坝后背管 内力分析 有限元
1 引言
ANSYS程序是一个通用有限元仿真分析软件，该程序是能够同时分析结构、热、流体、电磁、声学的高级多物理场耦合分析程序，广泛应用于土木工程、地质矿产、水利水电、铁道、汽车交通、航空航天、船舶、机械制造、核工业、石油化工、轻工、电子、日用家电和生物医学等一般工业及科学研究中。本文通过对某一工程大坝坝后背管进行三维实体有限元应力分析，尝试有限元软件在水工结构内力分析中的应用[1]。
2 工程概况
某水电站流域面积2151km2，总库容4600万m3，装机3×11MW，拦河坝采用空腹重力坝，最大坝高35.5m。水电站厂房布置于坝后，引水发电采用单管单机方式利用3条压力水管向厂房供水。引水道断面为矩形，管身采用钢筋混凝土现浇，过水断面尺寸4m×3.733m，管壁厚度为1m，。
引水道为压力管道，由图1可看出，A、C两处均设有伸缩缝， A点上游管段属坝内砼埋管，C点下游管段为地下砼埋管，ABC管段紧贴于大坝下游坡属坝后砼背管。由于现有的相关规范及各种水工建筑物教材对坝后砼背管的结构计算方法提及甚少，所以本文主要针对ABC段坝后背管进行三维实体有限元应力分析。
3、有限元分析过程
（一）、制定计算的载荷工况
每种计算工况代表一种实际工作状态，在一般设计过程中通常选取对管道结构最不利的几种工况进行计算，本文仅选取正常运行工况对管道进行内力分析。
坝后背管在实际运行中需承受内水压力，同时还受大坝背坡变形和温度应力影响，由于管道A、C两处设有伸缩缝，ABC管段总长不足20米，温度应力和大坝背坡变形对背管的影响很小，可以忽略。所以本次仅对背管在承受内水压力时做静力分析。
（二）、建立有限元网格模型
? 基本假定：
假定一：管底面与坝体连续，即坝体与管底面紧密联系
假定二：坝体和管壁的材料是均匀的
? 坐标设定：取管道上游断面（A断面）底板中心点为坐标原点，设X轴方向为管道横断面方向；Y轴为重力作用方向（竖直方向）；Z轴为管道纵断面方向。
? 单元选用：单元类型采用SOLID65实体单元
? 材料定义：管壁采用C25钢筋混凝土，根据《水工混凝土结构设计规范》SL191-2008，定义管壁砼材料的轴心抗压值（fc）为11.9MPa，轴心抗拉值（ft）为1.27 MPa，其材料弹性模量2.8×104MPa，泊松比0.167，密度为2.4t/m3。
坝体采用C15混凝土，定义坝体砼材料轴心抗压值（fc）7.2 MPa，轴心抗拉值（ft）0.91MPa，其材料弹性模量2.2×104MPa，泊松比0.167，密度为2.4t/m3。
图3、背管及部分坝体3D模型（上游45度角侧视）
? 创建模型：建模时取一部分坝体，以便分析背管与坝体背坡间接触面的内力情况。
笔者利用AutoCAD软件绘制分析对象3D模型（见图3），输出为ACIS（*.sat）文件，转存后直接导入ANSYS。
? 划分单元网格：
划分单元网格采用体上划分扫掠网格，网格均采用六面体，管壁在厚度方向共分了2层，坝体单元大小取管壁的两倍。划分完成后执行网络检查功能检查网格质量，经检查所有网格均为好的单元，无警告和错误单元。
图6、第一主应力图（下游45度角侧视）
（三）、求解
? 固定边界约束条件：为方便在分析结果时查看背管与坝体背坡间接触面的内力情况，对管道与坝坡接触面施加临近区约束，以约束两个面之间的所有自由度，节点与单元间距离系数容差取0.25。坝体模型除了与管壁接触面（大坝下游坡面）之外，其余各面均施加固定约束边界条件。
? 荷载施加：对管道模型内壁结构面施加压力荷载，水压力梯度的分布坐标轴为Y轴，零压力基准位置采用大坝上游水位（正常工况上游水位至管道模型坐标系原点高差为16m）。
ANSYS软件不限制分析的单位系统，在分析时只需按照统一的单位制定义材料属性、几何尺寸、荷载大小等输入数值，确保该单位系统完全协调统一。本次计算采用标准的国际单位制（时间为s，长度为m，质量为kg），应力：正值为拉应力，负值为压应力。
? 求解：施加荷载及固定边界约束条件设置完成后，执行求解。
（四）、查看结果：
本文采用查看等值图的方式显示并分析计算结果。
等值图中的变形比例系数定义为4000（即变形显示比例扩大4000倍），可以直观的描述结构形状的变形及位移方向（不会影响计算结果的应力值）。
? 查看应力结果：
图8、总体变形图（下游45度角侧视）
绘制第一主应力（拉应力）图，见图5、图6
绘制第三主应力（压应力）图，见图7
绘制总体变形图，见图8
图中应力值单位为Pa，位移单位为m
（五）、计算结果分析
?应力：
由图5、图6、图7可见，管道的最大拉、压应力都发生在矩形管道壁棱线附近，说明管壁截面变化导致应力的增大。
最大第一主应力值为2.17MPa，由规范可知，C25砼最大拉应力设计值为1.27 MPa，说明拉应力超过了设计强度，应配置足够的钢筋才能满足设计要求。
最大第三主应力值为0.74MPa，小于C25砼最大压应力设计值11.9 MPa，说明压应力满足设计要求。
?变形：
由图8可见，最大管壁变形出现在管道末端的两侧管壁中部，最大位移值0.000189m=0.189mm。
4、结论
通过以上分析，主要得出以下结论：
1、在本文选定的工况下，管壁混凝土只需按最大应力值配筋即可达到设计要求，并无出现管壁过厚或过薄现象，该设计是合理的[2]。
2、矩形管道壁棱线处应力较大，因此压力管道比较适合采用圆形断面[3]。
3、采用ANSYS软件比较适合对水工建筑物结构进行内力分析，尤其是对于较复杂的不便采用现有常规计算方法计算的水工建筑物，如：空腹重力坝、拱坝等，ANSYS可以更直观、精确的进行内力分析，可为设计人员在进行设计时提供结构分析参考[4]。
参考文献
[1]徐国宾,尹伟波. ANSYS二次开发在水工结构模糊参数反演中的应用[J]. 天津大学学报,2018,41(2):215-220.
[2]田小红,姜峰. ANSYS在水工结构抗震性能分析中的应用[J]. 山西建筑,2008,34(26):109-110.
[3]吴中如,顾冲时,苏怀智,等. 水工结构工程分析计算方法回眸与发展[J]. 河海大学学报(自然科学版),2015,43(5):395-405..
[4]杜平安,于亚婷,刘建涛.有限元法: 原理、建模及应用[M].2 版.北京: 国防工业出版社，2011.
论文作者:田伟
论文发表刊物:《电力设备》2016年第8期
论文发表时间:2016/7/20
标签：应力论文; 管壁论文; 管道论文; 水工论文; 内力论文; 大坝论文; 网格论文; 《电力设备》2016年第8期论文;