2.1　计算条件及参数

针对模型的结构特点，计算采用大型通用有限元软件ANSYS进行建模与分析计算。在建立有限元模型的过程中，选取恰当的单元类型是很重要的，它直接关系到计算结果的可靠性和准确性，下面对本次建模过程中用到的单元类型进行简要的介绍。

Solid45是一个三维六面体单元，适用于建立各向同性固体力学问题的模型。它有8个节点，每个节点有沿x、y、z方向的3个平移自由度，如图2.1所示。其中，分布式负荷可作用于这个单元的各个侧面。这个单元可用于分析大变形、大应变、塑性和屈服等问题。

用这个单元求解的输出结果包括节点位移，x、y、z方向的正应力，剪应力及主应力。在对进水塔模型剖分网格时采用Sol-id45单元，八节点六面体可以蜕化成四面体。

为更好地模拟进水塔身大体积混凝土与塔后岩体之间的连接问题，对此，提出一种特殊的力学模型，即接触面单元（图2.2）。在ANSYS中应用有限元的普遍思想将位于实体单元表面的结合面离散为三维高阶八节点四边形单元并选用增广的拉格朗日算法进行计算。

ANSYS中为库仑摩擦模型定义了一个极限剪应力τlim，计算如下：

式中：τlim为极限剪应力；μ为摩擦系数；P为法向接触压力；C为摩擦黏聚力。

通过指定目标单元和接触单元建立了“接触对”，采用面—面接触单元来模拟进水塔与身后基岩的连接，程序通过一个共享的实常数号来识别“接触对”，为了建立一个“接触对”，必须给单元和接触单元指定相同的实常数号。选用接触单元，对研究进水塔与基岩连接的整体稳定问题是实用有效的方法。

2.1.1　计算荷载及工况

2.1.1.1　计算荷载

作用于进水塔的荷载主要有结构自重和静水压力。

（1）静水压力。水压力施加在进水塔表面并且垂直于进水塔表面。水压力的大小，可认为在水库库水表面为零，沿竖直方向梯度为9800N/m3。

式中：Pw为计算点处的静水压强，kN/m2；γw为水的重度，kN/m3；H为计算点处的作用水头，m。

（2）结构自重。混凝土自重通过对模型材料赋密度值来实现。

2.1.1.2　计算工况

主要计算工况说明见表2.1，包括正常运行、检修和事故等结构状态。

2.1.1.3　计算参数

塔体及地基的计算参数根据可研阶段设计文件的计算参数选取，详见表2.2。

2.1.2　三维有限元模型

（1）计算模型范围。选取一个进水塔段作为计算模型，计算模型的边界面如下：

塔体部分——下部边界取至底板下表面，高程733m；上部边界取至塔顶，高程821.5m，计算模拟的总高度为88.5m。

地基部分——向上游延长20m，向下游延长25m，总长度为80.2m；左右两侧与塔体分缝一致；地基深度取一倍塔高。

（2）坐标系的说明。取单个进水塔段的对称轴面、底板上表面和拦污栅柱迎水面等3个面的交点作为坐标原点，三轴的方向确定如下：

X轴——水平方向，沿水流方向，指向下游为正；

Y轴——垂直水流方向，以指向东为正；

Z轴——竖直方向，向上为正。

（3）网格划分。本次计算采用SOLID45实体8节点六面体单元及其退化的四面体单元，计算模型共分为16692个节点，23382个单元。

（4）边界约束条件。地基的下表面进行全约束，岩体四周表面为法向约束，塔段之间定为自由面。

根据水电站进水塔布置图建立进水塔的整体三维线弹性有限元计算模型，塔体及地基采用实体单元模拟，塔体与塔体背后的山体之间的接触关系采用接触单元模拟，模型对塔体内部的细部结构进行必要的简化。图2.3为实体模型，图2.4为离散模型，计算模型共分为16692个节点，23382个单元。