基于ANSYS橡胶坝底板改进的可行性研究

2017-04-01孙卓

山东水利 2017年1期

关键词：坝袋橡胶坝泊松比

孙卓

（临沂市水政监察支队，山东临沂 276000）

基于ANSYS橡胶坝底板改进的可行性研究

孙卓

（临沂市水政监察支队，山东临沂 276000）

本文针对橡胶坝工程运行过程中存在的问题，对橡胶坝混凝土底板的断面设计提出改进方案，并转化为三个对比方案，再通过ANSYS软件计算分析各方案在极端应用条件下的应力与位移，并据此对改进方案的应用前景进行探讨，供橡胶坝工程设计人员参考。

橡胶坝；底板；ANSYS；极端条件

橡胶坝在运行过程中坝袋在过水压力作用下，与平面底板贴合引起排水口封堵，造成坝袋内的余水排出困难。为解决这一问题，作者曾提出过采用弧线形底板的方案，即将两条锚线之间，水帽周围的底板下凹，将下游锚固线以下的底板设计成折线、水力曲线或弧线。同时在原水平面加设必要水平支撑，避免坝袋下沉，使坝袋不再与底板贴合，保证排水通畅。

图1 本文研究的橡胶坝设计剖面图

1 ANSYS橡胶坝模型与条件加载

为了验证上述改进方案的可行性。作者将该方案建立ANSYS有限元模型进行受力分析。为了更明显的体现底板及坝袋的应力位移变化，在极端条件下进行底板受力分析，即对底板混凝土强度、坝袋强度有关参数均偏低设置，而对上下游水位差、以及坝袋内压比均取《规范》[1]允许的最大值。在此条件下，橡胶坝接近破坏或已经破坏时的工况下，分析底板及坝袋的受力。从而更有针对性的说明底板改进方案的可行性。

1.1 橡胶坝参数设定

如图1，橡胶坝底板为C20钢筋混凝土结构，坝底板顺水流方向长度11.42m，底板厚1.0m，底板高于地基0.3m，上下游均设深1.8m齿墙。

按《规范》[1]允许的最大坝高及最大内压，即坝袋挡水高度5.0m，内压比为1.60，坝袋胶布型号为JBD5.0-500-2，在设计工况下，坝袋横断面的几何形状为上游为R=4.5835m的圆弧段，弧长7.62m，下游为变半径曲线段，曲线长8.31m，全段坝袋有效周长15.93m。

坝袋橡胶为氯丁橡胶，坝袋帆布为锦纶6，织物组织方式为加强方平，坝袋厚度为20.3mm。为了使研究模型更加贴近实际工况，底板下选取3.0m厚，18.0m长的地基，作为共同研究对象。

1.2 ANSYS橡胶坝模型的建立

根据研究需要，设置橡胶坝模型的具体设计参数如表1。其中底板的弹性模量及泊松比的选取依据GB50010-2002《混凝土结构设计规范》选取。由于坝袋由锦纶帆布和氯丁橡胶相互叠加而成，各层厚度已知，故通过单位面积的坝袋胶布，可计算得到坝袋的密度为1413.05kg/m3，但坝袋帆布由锦纶纤维编织而成，帆布有空隙，实际密度小于1000，因而坝袋的实际密度也小于上式计算值，故近似取坝袋密度为1400kg/m3。坝袋的弹性模量根据拟定的坝袋的扯断强度800kN/m换算确定为表中上述值。定义完毕后的模型如图2。

表1 橡胶坝模型有关材料参数表

图2 常规橡胶坝三维模型

1．3 网格划分与边界条件加载

设置网格线密度为0.1m，并将网格统一划分为六面体，以提高精确度。模型设为极限工况，即坝袋充涨到设计坝高，上游水位与坝袋设计高度等高，下游无水的情况。由于内压比定义可知，坝袋内表面与锚固线间底板承受的水压力为8m。在重力的作用下，水压力在重力的作用下随着高程的升高而逐步减小。坝袋上游自地基加载5.3m的水压力。

2 ANSYS模型的验证

为了模型分析的误差，使所得数据更贴近工程实际，利用该模型验证坝袋线性模拟计算的三个重要参数——坝袋密度、弹性模量、泊松比与坝袋变形的关系。在初始设定条件下进行计算，得到的坝袋变形示意图，如图3。

图2 初始设定条件下坝袋计算变形图m

2．1 材料密度与坝袋变形相关性验证

首先保持其他参数不变，改变坝袋密度，将坝袋密度设置为1000kg/m3、2000kg/m3、3000 kg/m3，相应坝袋最大变形量为2.856m，2.869m和2.881m。

坝袋材料密度与坝袋变形最大值的近似关系曲线解析式为y=1E-05+2.8436。由此可见，随着坝袋密度的增加，坝袋变形在重力的影响下也越明显。因而两者之间正相关的一次线性关系与实际情况是相符合的。

2．2 弹性模量与坝袋变形相关性验证

同理，保持其他参数不变，将坝袋材料弹性模量设置为7E+9、9E+9帕。于是得到坝袋材料弹性模量与坝袋变形最大值的近似关系曲线解析式为y=229+10/X。由此可见，坝袋材料弹性模量与坝袋变形最大值之间呈反比关系。而根据弹性模量的定义，弹性模量E是指材料在外力作用下产生单位弹性变形所需要的应力，即可知在外力作用不变的情况下，弹性模量与坝袋变形最大值之间应当呈反比关系。因而作者得到的坝袋材料弹性模量与坝袋变形最大值的关系曲线是与实际情况相符合的。

2．3 泊松比与坝袋变形相关性验证

再将泊松比依次设置为0.40、0.42、0.46。于是得到坝袋材料的泊松比与坝袋变形最大值的近似关系曲线解析式为y=1.965x+1.9963。随着泊松比的增大，坝袋变形也会相应增大。因而两者之间正相关的一次线性关系与实际情况是相符合的。

3 ANSYS模拟计算与评价

为了具体研究底板断面不同引起的应力变化，除了现行的平面底板方案，模拟三种断面的对比方案。（1）下游下倾方案。即下游锚固线以下下倾4.5°。（2）开槽方案，即在方案（1）的基础上，沿橡胶坝坝袋中心线开一个断面较小、与坝袋等长的贯通凹槽；（3）折线形方案，即在方案（1）的基础上，上下游锚固线之间底板上平面整体下凹的断面形式。

3.1 ANSYS模拟计算结果

经过ANSYS模拟计算，得到四种方案底板部分的水平位移云图。通过观察水平位移云图发现，橡胶坝有限元模型在下游锚固线处发生了拉伸破坏。

该模型的意义主要在于以下方面：（1）能够反映橡胶坝底板的应力应变的分布、变化规律；（2）证明混凝土底板在强度等级较低的情况下，除需要采取局部加密钢筋等措施应对局部拉伸以外，完全能够满足工程需要。这与橡胶坝造价低、工期短、施工简单的优点是相适应的。

3.2 应力位移数据分析

经过ANSYS模拟计算，能够得到现行方案与三种对比方案各自的X（水流方向）、Y（竖直方向）、Z（坝体轴线方向）及其矢量和的应力、位移云图及其相应极值。由于模型截取典型横断面，不分析Z向的应力与位移。

3.3 计算数据对比分析

三个改进方案中，折线形底板方案对改善坝袋排水最有利，底板开槽方案次之，倾斜下底板方案的改进效果最不明显；倾斜下底板方案的应力和位移情况最优，底板开槽方案次之，折线形底板方案的应力和位移状态最不利。作者倾向于对底板开槽方案进行继续研究和优化，该方案具备较大的推广价值和实用意义。