基于Ansys的地下皮帶廊受力分析及設計優化研究

陳 生 年

(沈陽鋁鎂設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110001)

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基于Ansys的地下皮帶廊受力分析及設計優化研究

陳 生 年

(沈陽鋁鎂設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110001)

利用大型通用有限元軟件Ansys,模擬了鋼筋混凝土地下皮帶廊的受力狀態，通過調整皮帶廊頂板、側壁、底板的厚度，分析了不同厚度組合下的結構內力，依據內力結果調整地下皮帶廊的配筋，對比了不同厚度組合下的混凝土、鋼筋及總工程造價，得出了較為合理的截面厚度組合，達到了優化設計的目標。

地下皮帶廊，Ansys，結構設計，受力分析

0 引言

地下皮帶廊是工業生產過程中比較常見的輸送系統。由于其結構形式簡單，常常不為設計者所重視，因此，由于設計考慮不周而出現強度不足、開裂嚴重等質量問題，或者截面、配筋較大，造成不必要的浪費。為解決這一問題，本文利用大型通用有限元軟件Ansys對鋼筋混凝土地下皮帶廊進行受力分析和設計優化研究。

1 工程實例

某大型氧化鋁廠預均化堆場子項，鋁土礦經過破碎后，由地上皮帶運輸至干料堆場，堆料高度6 m，干料容重1.45 t/m3，干料安息角為35°。干料通過卸礦漏斗輸送到地下皮帶廊內的皮帶運輸系統，轉運到下一個工藝的生產車間。地下皮帶廊底板頂標高為-8 m，凈寬3 m，凈高2.8 m，長度200 m，地面標高±0.000，地下水埋深較深可不考慮其影響，皮帶廊頂填土容重1.8 t/m3。車間配置剖面圖如圖1所示。在此條件下設計鋼筋混凝土地下皮帶廊的截面和配筋。

2 結構有限元建模分析

2.1 單元選擇

整個地下皮帶廊全長200 m，各處截面均相同，所受荷載均為土壓力，變形均發生在平面內，屬于平面應變問題。因此，采用Ansys建模時，可只建立1 m長結構模型。為模擬頂板、豎壁、底板的彈性嵌固作用，有限元軟件中單元類型采用Beam3單元，該單元是一種可承受拉、壓、彎作用的單軸單元。單元的每個節點有3個自由度，即沿x,y方向的線位移及繞z軸的角位移[1]。Beam3單元實常數中梁寬為1 m，梁高定義為一個變量，以便于進行Ansys命令流的編制和參數化計算。單元模型如圖2所示。

2.2 結構分析模型

鋼筋混凝土地下皮帶廊上部覆土較厚、堆料高度較高，為滿足結構強度和剛度要求，暫取底板厚0.5 m、壁板厚0.4 m、頂板厚0.4 m。在Ansys中采用牛頓、米單位制。采用直接建立節點坐標法建立節點，再通過節點生成單元。單元尺寸為0.1 m，共建立結點數量124個，單元數量124個。

地下皮帶廊是個對稱結構，兩側土壓力大小相等、方向相反，可對結構模型做適當的簡化。底板上土的反力通常是將土體等效為土彈簧，上部荷載作用時彈簧受壓變形，產生的反力反作用于底板上。考慮到土彈簧剛度受土層參數影響較大，不確定性較多，而鋼筋混凝土地下皮帶廊底板為整體筏板，整體性非常好，故可不模擬土彈簧的作用，而是直接將土彈簧的反力施加于皮帶廊底板處。通過對地下皮帶廊的受力和變形分析可知：皮帶廊兩側荷載相同，結構水平方向約束反力應為零，底板和頂板跨中位置只發生豎向變形而無水平方向變形，在此位置節點施加水平方向約束不改變結構受力狀態；底板反力與頂板的荷載、頂板、豎壁、底板自重的總和是平衡的，參照頂板、底板的做法，豎壁中點位置施加豎向節點約束對結構受力影響較小。

2.3 荷載和荷載組合

作用在鋼筋混凝土地下皮帶廊上的外荷載為恒載和活載。恒載為結構自重加土壓力，活載為堆料荷載。恒載、活載對結構均為不利作用，根據恒載、活載的大小，可判定荷載組合可只考慮兩種組合情況：承載力極限狀態下可變荷載控制的荷載效應設計值以及正常使用極限狀態下荷載準永久組合的荷載效應設計值[2]。

3 有限元計算結果分析

Ansys結構計算完畢進入后處理程序。調用單元節點彎矩，繪制整個結構在承載力極限狀態荷載組合作用下結構彎矩圖，如圖3所示。

由圖3可知：

1)頂板、底板跨中位置內側受拉、外側受壓；

2)頂板、底板靠近豎壁位置外側受拉、內側受壓；

3)頂板、底板最大彎矩位于跨中位置，并非頂板、底板與豎壁交界位置，說明豎壁對頂板、底板的約束作用有限，達不到固定約束，為彈性嵌固作用；

4)豎壁全部外側受拉、內側受壓，說明頂板、底板有不平衡彎矩傳給豎壁，導致豎壁外側均為受拉；

5)豎壁截面最大彎矩位于豎壁與頂板、底板交界位置。

4 地下皮帶廊結構設計優化

為了減少工程造價，鋼筋混凝土地下皮帶廊頂板、豎壁、底板采用多種板厚組合：組合一，頂板0.5 m，豎壁0.4 m，底板0.5 m；組合二，頂板0.5 m，豎壁0.3 m，底板0.5 m；組合三，頂板0.5 m，豎壁0.4 m，底板0.6 m；組合四，頂板0.5 m，豎壁0.3 m，底板0.6 m；組合五，頂板0.4 m，豎壁0.4 m，底板0.5 m；組合六，頂板0.4 m，豎壁0.3 m，底板0.5 m。各組合在承載力極限狀態下，各個控制截面的彎矩設計值如表1所示。在荷載準永久組合作用下，控制截面的彎矩設計值如表2所示。

表1 承載力極限狀態下控制截面彎矩設計值 kN·m

由表1可知：

1)頂板、底板跨中彎矩均大于支座彎矩，說明豎壁厚度不大于頂板、底板厚度時，其約束作用有限，為彈性嵌固；

2)隨著豎壁厚度的減小，其對頂板、底板的約束作用逐漸減弱，頂板、底板支座位置分配給豎壁的彎矩逐漸減小；

3)隨著頂板、底板相對厚度的增加，其承擔的彎矩逐漸增加。

表2 荷載準永久組合作用下控制截面彎矩設計值 kN·m

依據表1，表2(用于計算裂縫是否滿足規范要求)以及混凝土受彎構件最小配筋率要求[3]，計算并配置鋼筋混凝土地下皮帶廊受力鋼筋如表3所示。表3中①～⑥鋼筋布置圖如圖4所示。

表3 地下皮帶廊受力鋼筋表

統計六種組合下的材料量并進行工程造價對比，如表4所示。

表4 皮帶廊材料及造價表

由表4可知：

1)采用頂板0.4 m，豎壁0.3 m，底板0.5 m板厚時，地下皮帶廊結構費用最小；

2)上述板厚組合條件下，壁厚越小，結構費用越低。

5 結語

1)豎壁對頂板、底板的嵌固作用有限，為彈性嵌固，實際工程中頂板、底板跨中彎矩較支座彎矩大，這點應引起注意。

2)豎壁所受荷載較小，減小豎壁厚度對降低結構費用有利。

3)頂板、底板跨中主受力鋼筋按裂縫控制計算得來，切不可只滿足強度計算要求。

4)由于①，②，③，⑤鋼筋為構造配筋，按最小配筋率計算得來，故減小壁厚對降低結構費用有利。

[1] Ansys公司理論手冊[Z].

[2] GB 50009—2012，建筑結構荷載規范[S].

[3] GB 50010—2010，混凝土結構設計規范[S].

Research on force analysis and optimization design of underground belt corridor based on Ansys

Chen Shengnian

(ShenyangAluminumandMagnesiumDesign&ResearchInstituteLimitedCompany,Shenyang110001,China)

Using the large-scale general finite element software Ansys, this paper simulated the force situation of reinforced concrete underground belt corridor, by adjusting the belt corridor roof, side wall, base plate thickness, analyzed the structure internal forces under different thickness combination, according to the internal force results adjustment of the reinforcement of underground belt corridor, compared the concrete, reinforced and total engineering cost under different thickness combination, concluded that the reasonable section thickness combination, achieved the goal of optimization design.

underground belt corridor, Ansys, structure design, stress analysis

1009-6825(2016)20-0033-02

2016-05-09

陳生年(1981- )，男，碩士，工程師

TU311.3

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