大體積混凝土的三維有限元分析計算實例

郭佳樂，溫 州

(黑龍江省水利水電勘測設(shè)計研究院，哈爾濱 150080)

文章編號：1007-7596(2015)12-0023-02

大體積混凝土的三維有限元分析計算實例

郭佳樂，溫 州

(黑龍江省水利水電勘測設(shè)計研究院，哈爾濱 150080)

大體積混凝土施工，受力情況復(fù)雜，進(jìn)行三維有限元分析計算十分必要。文章結(jié)合工程實例，通過有限元計算，對整個結(jié)構(gòu)的受力進(jìn)行全面的了解，可以檢驗?zāi)壳笆┕し桨覆贾玫暮侠硇浴⒖煽啃裕⑶彝ㄟ^ANSYSC程序進(jìn)行有限元計算，為結(jié)構(gòu)配筋、施工詳圖設(shè)計提供依據(jù)。

大體積混凝土；三維有限元分析；ANSYS程序；單元；計算模型

1 工程概況

某水電站升船機(jī)渡槽段全長85.45m(0+115.500～0+200.950)，寬度20m(壩左0+175.400～壩左0+155.400)。壩后廠房安裝間頂板為1200圓弧拱(以下簡稱頂拱)，頂拱尺寸：半徑R=22.805m，跨度為39.5m，高度為11.403m，拱頂高程為361.500m，兩端與邊墻相連，安裝間地面高程為280.740m，安裝間地面至拱頂?shù)母叨葹?0.760m。頂拱混凝土澆筑期間下方壩后廠房安裝間也在同時施工，為確保頂拱下方壩后廠房安裝間施工的安全以及該壩段整體施工進(jìn)度要求，廠房安裝間頂拱混凝土澆筑施工(下稱渡槽段封拱施工)擬采用預(yù)制混凝土模板的施工方案，以便底部廠房安裝間施工的同時繼續(xù)澆筑頂拱以上混凝土。

2 研究目的、背景及意義

本工程進(jìn)行了120°全拱預(yù)制混凝土模板、180度全拱預(yù)制混凝土模板及120°半拱預(yù)制混凝土模板等三種布置，并著重對120°全拱預(yù)制混凝土模板方案進(jìn)行詳細(xì)研究。選定了預(yù)制混凝土模板、移動樣架及下部安全網(wǎng)的結(jié)構(gòu)型式、對結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行了分析計算。渡槽段封拱施工為大體積混凝土施工，受力情況復(fù)雜，進(jìn)行三維有限元分析計算十分必要。通過有限元計算，可以使對整個結(jié)構(gòu)的受力有全面的了解，檢驗?zāi)壳笆┕し桨覆贾玫暮侠硇浴⒖煽啃裕⑶彝ㄟ^有限元計算，為結(jié)構(gòu)配筋、施工詳圖設(shè)計提供依據(jù)。

3 研究內(nèi)容及ANSYS軟件優(yōu)點

在結(jié)構(gòu)整體澆筑完畢后進(jìn)行計算，主要計算整體結(jié)構(gòu)的第一主應(yīng)力及第三主應(yīng)力。第一主應(yīng)力為主平面上的最大正應(yīng)力，第三主應(yīng)力為主平面上的最小正應(yīng)力，兩種應(yīng)力均正為拉應(yīng)力，負(fù)為壓應(yīng)力。按照澆筑左側(cè)或者右側(cè)一層混凝土需要三天時間來模擬整個施工過程。

采用ANSYS軟件進(jìn)行大體積混凝土有限元分析計算，是由于ANSYS軟件在水利工程科研和設(shè)計中具有以下優(yōu)點：①前處理功能強(qiáng)大。在建立模型及網(wǎng)格劃分時能提供近200種單元類型，用戶在計算時可以根據(jù)工程實際情況進(jìn)行單元類型的選擇，選出最符合的單元類型，以便更好的對工程仿真研究。②求解器功能強(qiáng)大。求解時能提供結(jié)構(gòu)、熱、流體、磁場等多物理場的分析。③后處理器輸出方便快捷。ANSYS軟件在計算分析結(jié)束后，不僅可以通過圖表、曲線提供運算數(shù)據(jù)，得到每個單元及節(jié)點的分析結(jié)果，還可以以云圖、矢量圖及等值線圖等圖片形式直觀反映運算結(jié)果。④二次開發(fā)功能顯著。在使用ANSYS軟件過程中，當(dāng)軟件本身不能滿足用戶需求時，用戶可以進(jìn)行二次開發(fā)。ANSYS具有良好的開發(fā)性，支持多種程序語言的二次開發(fā)，更加便于用戶使用。

4 計算基本假定[1]

1)混凝土、鋼結(jié)構(gòu)材料均假設(shè)為各向同性線彈性材料。

2)材料的物理力學(xué)參數(shù)按設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)值選取。

5 計算模型

計算模型長度方向約為50m，寬度方向為20m，高度方向上根據(jù)不同工況而不同。為了更為真實地模擬施工過程，按實際尺寸和形狀建立全三維有限元模型。本研究選取三維實體單元solid45建立模型，計算的每一種工況都對應(yīng)1個模型，其中單元最多模型共劃分單元個221646，結(jié)點254093個；單元最少模型共劃分單元 66838個，結(jié)點87188 個。網(wǎng)格劃分足夠精細(xì)，保證了計算結(jié)果的可靠性。混凝土結(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)格剖分見圖1。計算模型的總體坐標(biāo)系取Y軸為豎向，向上為正；X軸為水平上下游方向，指向下游為正；Z軸為水平左右兩側(cè)方向，指向右岸為正(面向下游，右手邊為右側(cè))，坐標(biāo)原點在牛腿處。

施加約束包括：

1)底部按照固定端考慮，施加全部約束；

2)兩側(cè)施加X方向的約束；

3)根據(jù)不同工況，施加不同荷載，材料彈模隨時間變化而變化。

6 計算結(jié)果

計算第一、第三主應(yīng)力結(jié)果見表1。整個結(jié)構(gòu)第一主應(yīng)力分布圖見圖1，第三主應(yīng)力分布圖見圖2。

表1 計算結(jié)果

圖1 對應(yīng)的有限元模型

圖2 第一主應(yīng)力圖

7 結(jié) 論

根據(jù)對計算結(jié)果的分析，可以得出以下結(jié)論：

1)本文通過對工程實例進(jìn)行計算，結(jié)構(gòu)第一主應(yīng)力拉應(yīng)力為0.51MPa，壓應(yīng)力為0.52MPa；第三主應(yīng)力拉應(yīng)力為0.009Mpa，壓應(yīng)力為5.15MPa。拉應(yīng)力及壓應(yīng)力都比較小，均小于混凝土的抗拉和抗壓強(qiáng)度。砼的強(qiáng)度均滿足要求。

2)混凝土由于ANSYS軟件本身的特點，有限元計算過程中，角緣處容易出現(xiàn)應(yīng)力奇異及應(yīng)力集中現(xiàn)象，局部應(yīng)力可能偏大，在配筋設(shè)計中需要注意。

3)隨著經(jīng)濟(jì)社會不斷發(fā)展，水利工程體型及邊界條件日趨復(fù)雜，需要通過ANSYS等有限元軟件進(jìn)行更多更加復(fù)雜、多樣的計算與分析，有限單元法將在水利工程中發(fā)揮越來越重要的作用。水利專業(yè)技術(shù)人員應(yīng)該逐步掌握有限元分析軟件，更好地應(yīng)用于科研與設(shè)計中。

[1]賴永標(biāo).ANSYS11.0土木工程有限元分析典型范例[M].北京:電子工業(yè)出版社，2007：37-41.

2015-07-26

郭佳樂(1987-)，女，黑龍江哈爾濱人，工程師；溫州(1983-)，男，黑龍江哈爾濱人，工程師。

TU755

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