第5章 ANSYS水利工程应用实例分析 重力坝抗震性能分析中，主要是给坝体底部施加自由度约束。
命令：D
作用在重力坝上的荷载包含水压力、冰压力、泥沙压力、地震力及坝体自重荷载等。 (1)自重荷载。由坝体体积和材料的容重算出。
(2)静水压力。作用在坝面上的静水压力可根据静水力学原理计算，分为水平力及垂直力。 水平力： Psp?
垂直力： Pcz?1212?H1 (5-1)
2?nH1 (5-2)
2式中：?为水容重，H1代表上游水深，n代表上游坝面坡度系数。
同理可求得下游坝面的总静水压力的水平向分力及垂直分力。
(3)扬压力。重力坝坝体混凝土或浆砌石砌体不是绝对不透水的，它们的表面及内部存在着无数微小的孔隙，坝基岩石本身孔隙虽然很少，但是也存在着节理、裂隙。重力坝建成挡水后，在上下游水位差的长期作用下，上游的水将通过这些孔隙及坝体和坝基的接触面、坝基的节
理裂隙等向下游渗透，从而使得坝体内和坝底面产生渗透水压力。
(4)动水压力。在溢流面上作用有动水压力，坝顶曲线和下游面直线段上的动水压力很小， 可忽略不计。只计算反弧段上的动水压力。
(5)冰压力。在寒冷地区水库表面冬季结成冰盖，当气温回升时，冰盖发生膨胀，因而对 挡水建筑物上游面产生冰压力。
(6)泥沙压力。水库蓄水后，入库水流挟带泥沙，逐年淤积在坝前，对坝面产生泥沙压力。
(7)浪压力。浪压力与风速和水库吹程有关，但在荷载中所占比重较小，通常忽略。 (8 )地震荷载。主要是由建筑物质量引起的地震惯性力、地震动水压力和动土压力。
5.2.4 求解
1. 静力求解
首先对重力坝进行静力求解：在ANSYS程序根据现有选项的设置，从数据库获取模型和载荷信息并进行计算求解，将结果数据写入到结果文件和数据库中。得到坝体在静力荷载作用下的位移场与应力，了解坝体在设计条件下的工作形态，对混凝土重力坝方案的可靠性进行评价评价大坝
命令：SOLVE
GUI：Main Menu>Solution>Solve> Current LS 2.动力分析求解
由于地震时的地面运动以水平方向为主，在地震力作用下结构的振动也以水平振动为主，
ANSYS10.0 土木工程应用实例分析 故本次分析只考虑了水平方向的地震载荷的作用。对重力坝抗震性能计算分析可以采用以下几种方法：
1)拟静力法
拟静力法是一种把地震的影响用一种折算的静载荷来表示，求出这种地震荷载后，按照常规的静力法进行坝体的各项应力、位移的抗震分析方法。它是假定地震时与地面加速度相同的加速度作用在坝体各部位，求出地震时的惯性力，然后根据惯性力来评价大坝的安全性。
根据拟静力分析方法，大坝的水平地震惯性力可简化为：
QH?KHCZFW ( 5-3 )
式中：
KH——水平向地震系数，为地面最大水平加速度代表值与重力加速度的比值； CZ——综合影响系数，重力坝取为1/4； F——地震惯性力系数；
W——产生惯性力的建筑物的总重量。
采用拟静力法计算重力坝的地震作用效应时，水深h处的地震动水压力的代表值的计算： PW(h)?ah??(h)?WH0 ( 5-4 ) 式中：
PW(h)——作用在直立迎水坝面水深h处的动水压力代表值；
ah——水平向地震加速度的代表值，地震烈度为8时对应的值是0.2g；
?——地震作用效应折减系数，除另有规定外，取0.25； ?(h)——水深h处的地震动水压力分布系数； ?W——水体质量密度的标准值；
H0——水总深度。
与水平面夹角为?的倾斜迎水坝面，按公式(5-4)计算的动水压力代表值乘以折减系数： ?C??/90 ( 5-5 ) 2)反应谱分析法
反应谱分析法是以单质点弹性体系在实际地震过程中的反应为基础，来进行结构反应的分析，它通过反应谱巧妙地将动力问题静力化，使得复杂的结构地震反应计算变得简单易行。按照这一理论，应用地震谱曲线，就可以按照实际地面运动来计算建筑物的反应。反应谱是单点弹性体系对于实际地面运动的最大反应和体系自振周期的函数关系。对于复杂的结构可以简化为若干振型的叠加，每个振型又可转化为一个单质点来考虑。使用已经确定的设计反应谱计算重力坝在地震作用下的反应，就归结为寻求坝体的自振特性。
地震产生的破坏，与受力大小和受频谱的最大振动的持续时间的都有关系。在进行谱分析计算前，首先要计算大坝的自振特性。模态分析用于确定结构的振动特性，即结构的固有频率和振型，它们是结构承受动态荷载设计中的重要参数，也是更详细的动力分析的基础。
第5章 ANSYS水利工程应用实例分析 模态分析计算中采用了子空间迭代法提取模态。水深h处的地震动水压力的作用按公式(5-6)转化为相应的坝面附加质量。
PW(h)?78ah?WH0h ( 5-6 )
根据如图5-2所示的大坝设计的反应谱曲线图，可得大坝反应谱曲线方程：
??1?10T(??1)，........0.?..T?0.1max?? ????max，.........................0..1..?T?Tg ( 5-7)
?T?(0)0.9*?，..........T...g.?T.max??T
图5-2 大坝设计反应谱
本次重力坝抗震性能分析中，?max取值为2，Tg取值为0.2，特征周期T0取值为0.2S。 3)时程分析法
时程分析方法是将地震动记录或人工波作用在结构上.直接对结构运动方程进行积分，求得结构任意时刻地震反应的分析方法，所以动态时程分析方法也称为直接积分法。 ? 本次大坝抗震性能实例分析采用反应谱分析方法。
5.2.5 后处理
后处理的目的是以图和表的形式描述计算结果。对于大坝抗震性能分析中，进入后处理器
后，查看大坝变形图和节点的位移和应力。通过研究大坝的变形、位移和应力情况，来综合判
ANSYS10.0 土木工程应用实例分析 断大坝的抗震性能及安全性能。
命令：／POST1
GUI： Main Menu> General Postproc
? 首先查看大坝静力分析求解结果，再查看大坝动力分析求解结果。
5.3 ANSYS重力坝抗震性能实例分析
5.3.1 实例介绍
图5-3 重力坝断面结构
实例选取应用非常广泛的重力坝，断面结构如图5-3所示。坝高120米，坝底宽为76米，坝顶为10米，上游坝面坡度和下游坝面坡度如图中所示。
因为重力坝结构比较简单，垂直于长度方向的断面结构受力分布情况也基本相同，并且大坝的纵向长度远大于其横断面，因此大坝抗震性能分析选用单位断面进行平面应变分析是可行
第5章 ANSYS水利工程应用实例分析 的。
大坝抗震性能分析的计算条件如下：
1） 假设大坝的基础是嵌入到基岩中，地基是刚性的。
2） 大坝采用的材料参数为：弹性模量E=35GPa，泊松比?=0.2，容重?=25KN/m3。 3） 计算分析大坝水位为120米。 4） 水的质量密度1000kg/m3。
5） 大坝设防地震烈度为8，水平方向地震加速度值为0.2g。
5.3.2 GUI操作方法
5.3.2.1 创建物理环境
1) 在【开始】菜单中依次选取【所有程序】/【ANSYS10.0】/【ANSYS Product Launcher】，得到“10.0ANSYS Product Launcher”对话框。 2）选中【File Management】，在“Working Directory”栏输入工作目录“D:\\ansys\\example5-1”，在“Job Name”栏输入文件名“Dam”。
3）单击“RUN”按钮，进入ANSYS10.0的GUI操作界面。
4）过滤图形界面：Main Menu> Preferences，弹出“Preferences for GUI Filtering”对话框，选中“Structural”来对后面的分析进行菜单及相应的图形界面过滤。
5）定义工作标题：Utility Menu> File> Change Title，在弹出的对话框中输入“Dam seismic Analysis”，单击“OK”，如图5-4。
图5-4 定义工作标题
6）定义单元类型：
a.定义PLANE42单元：Main Menu> Preprocessor> Element Type> Add/Edit/Delete，弹出一个单元类型对话框，单击“Add”按钮。弹出如图5-5所示对话框。在该对话框左面滚动栏中选择“Solid”，在右边的滚动栏中选择“Quad 4node 42”，单击“Apply”，就定义了“PLANE42”单元。