基于ANSYS的水工壓力隧洞配筋計(jì)算研究

黎傘傘

摘要：為提升水工壓力隧道配筋效果，在確保隧道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，減少隧道施工環(huán)節(jié)對(duì)于鋼筋使用數(shù)量的需求，管控施工成本。文章將配筋計(jì)算作為研究核心，以ANSYS技術(shù)為框架，從多個(gè)維度出發(fā)，梳理技術(shù)流程，構(gòu)建計(jì)算模型，以期為后續(xù)相關(guān)水電站隧道工程的施工建設(shè)提供參考。

關(guān)鍵詞 ANSYS 水工壓力 隧道配筋 計(jì)算方案

0前言

ANSYS軟件在水工壓力隧道配筋計(jì)算活動(dòng)中的應(yīng)用，憑借自身的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水工壓力隧道鋼筋配比的直觀性分析，大大降低了配筋計(jì)算的難度。但受制于多種因素的影響，水工壓力隧道配筋計(jì)算環(huán)節(jié)，對(duì)于ANSYS軟件的應(yīng)用水平較低，無法真正發(fā)揮出ANSYS軟件的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。為了進(jìn)一步提升ANSYS軟件的實(shí)用性，文章在分析ANSYS軟件特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，從水工壓力隧道模型建立以及配筋計(jì)算兩個(gè)角度出發(fā)，切實(shí)提升水工壓力隧道配筋計(jì)算環(huán)節(jié)，ANSYS軟件的應(yīng)用效果，以期在提升配筋計(jì)算準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，縮短計(jì)算周期，避免額外的費(fèi)用支出。

1 ANSYS軟件概述

ANSYS軟件作為一種有限元分析軟件，其有效滿足大型復(fù)雜問題的分析以及處理需求，在提升分析計(jì)算結(jié)果精度的同時(shí)，大大降低了分析人員的工作壓力，縮短計(jì)算周期，為后續(xù)相關(guān)工作的開展提供方向性引導(dǎo)。

ANSYS主要包括前處理模塊、分析計(jì)算模塊以及后處理模塊等幾大部分組成。例如前處理模塊，為整個(gè)計(jì)算分析系統(tǒng)提供了必要的建模與網(wǎng)格劃分工具，用戶在登陸軟件后，根據(jù)自身的需求，在短時(shí)間內(nèi)完成建模。分析計(jì)算模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)多種場(chǎng)景的模擬，分析多種物理介質(zhì)之間的相互作用，與其他計(jì)算分析軟件相比，其具有更高的林敏度以及可靠性。后處理模塊主要是通過梯度顯示、立體切片顯示等多種方式，將計(jì)算分析結(jié)果直觀呈現(xiàn)出來，大大提升計(jì)算分析結(jié)果的實(shí)用性。現(xiàn)階段我國在水電站高壓引水隧道規(guī)劃施工環(huán)節(jié)，普遍采取鋼襯鋼筋混凝土壓力管道，這種管道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，成本較低，使用壽命較長(zhǎng)，較好地滿足了水工壓力隧道的使用需求。鋼襯鋼筋混凝土管道將鋼襯與鋼筋兩種材質(zhì)進(jìn)行混合使用，借此來防范重大安全事故的發(fā)生。但是受到工藝等因素的限制，鋼襯鋼筋混凝土滾到在使用環(huán)節(jié)，往往需要配筋進(jìn)行襯砌，在配筋環(huán)節(jié)，工作人員，不僅要統(tǒng)籌考慮鋼襯、配筋的承載，還需要對(duì)混凝土開裂后裂縫寬度進(jìn)行評(píng)估，難度較大，進(jìn)而影響配筋計(jì)算的準(zhǔn)確性。基于這種情況，越來越多的施工單位以及技術(shù)人員嘗試將ANSYS軟件引入到水工壓力隧道鋼襯鋼筋混凝土管道的分析環(huán)節(jié)，希望借助于軟件的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在較短時(shí)間內(nèi)，快速完成配筋計(jì)算工作，為后續(xù)相關(guān)共組的開展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2 ANSYS框架水工壓力隧道模型建立方法

ANSYS框架下水工壓力隧道模型的建立，要求技術(shù)人員著眼于實(shí)際，結(jié)合ANSYS軟件的技術(shù)構(gòu)成，有針對(duì)性地開展水工壓力隧道建模工作，為后續(xù)配筋計(jì)算提供便利。

ANSYS軟件在對(duì)水工壓力隧道進(jìn)行配筋計(jì)算的過程中，根據(jù)軟件的功能模塊設(shè)置以及相關(guān)工作要求，在配筋計(jì)算之前，應(yīng)當(dāng)組織技術(shù)人員，進(jìn)行水工壓力隧道的建模。在實(shí)際的建模環(huán)節(jié)，使用solid65對(duì)混凝土進(jìn)行模擬，對(duì)于管道中使用的鋼襯則通過ANSYS軟件中殼單位進(jìn)行模擬，在模擬過程中，混凝土與鋼襯之間不設(shè)置連接處理，以確保模型真實(shí)地反應(yīng)實(shí)際情況，為后續(xù)相關(guān)配筋計(jì)算工作的進(jìn)行營造出真實(shí)有效的環(huán)境。在ANSYS軟件的技術(shù)支持下，技術(shù)人員根據(jù)水工壓力隧道的實(shí)際情況，對(duì)隧道頂拱、底拱、左側(cè)隧道面、右側(cè)隧道面作為配筋計(jì)算的主要對(duì)象，在單時(shí)間內(nèi)，快速完成配筋計(jì)算工作。

以某水工壓力隧道施工項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目隧道內(nèi)徑16.8m，埋藏深度114m，在隧道配筋計(jì)算過程中，采用ANSYS軟件，對(duì)混凝土、鋼襯等隧道主要構(gòu)建進(jìn)行模擬，在模擬環(huán)節(jié)，該項(xiàng)目技術(shù)人員采取solid73模塊作為基本單元，完成對(duì)軌道鋼襯以及殼體的模擬，在模擬環(huán)節(jié)，考慮到工程中設(shè)計(jì)隧道襯砌的厚度為80cm，技術(shù)人員考慮到5倍洞徑外的巖石，對(duì)于管道產(chǎn)生的作用較小，因此在建模環(huán)節(jié)，技術(shù)人員只是將隧道施工區(qū)域內(nèi)5倍洞徑內(nèi)的區(qū)域進(jìn)行了模擬，在水工壓力隧道有限元模型構(gòu)建環(huán)節(jié)，在施工區(qū)域內(nèi)共劃分為出8994個(gè)單元，17628個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中主要的建模單元以及節(jié)點(diǎn)，均分布隧道頂拱、底拱、左側(cè)隧道面、右側(cè)隧道面，在形成了一個(gè)完整的水工壓力隧道模型，較好地反映出鋼襯鋼筋混凝土管道襯砌結(jié)構(gòu)的基本形態(tài)。通過這種方式，既能夠確保建模工作的質(zhì)效，又能夠降低工作強(qiáng)度，減少不必要的費(fèi)用支出。

3基于ANSYS的隧道配筋計(jì)算方法

ANSYS軟件下，水工壓力隧道配筋計(jì)算方案的確立，應(yīng)當(dāng)在隧道模型的基礎(chǔ)上，梳理隧道配筋的原理，從應(yīng)力轉(zhuǎn)化的角度出發(fā)，扎實(shí)開展配筋計(jì)算工作。

3.1配筋計(jì)算的基本原理

配筋計(jì)算作為提升建筑結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的重要手段，通過配筋計(jì)算，有效提升建筑結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，避免缺筋的情況出現(xiàn)，同時(shí)也能夠減少不必要的浪費(fèi)，管控成本，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益的統(tǒng)一。通過對(duì)水工壓力隧道、襯砌結(jié)構(gòu)以及一定水工區(qū)域的有限元建模處理，技術(shù)人員在短時(shí)間內(nèi)，形成襯砌結(jié)構(gòu)的空間力場(chǎng)，在空間立場(chǎng)中，水工壓力隧道內(nèi)產(chǎn)的應(yīng)力會(huì)真實(shí)地作用于模型之中，在此基礎(chǔ)上，技術(shù)人員通過數(shù)據(jù)收集以及整理工作，完成水工壓力隧道內(nèi)部軸力、剪力以及彎矩等參數(shù)的確定，以上述參數(shù)為基礎(chǔ)，推動(dòng)配筋計(jì)算工作的順利進(jìn)行。

3.2應(yīng)力轉(zhuǎn)化分析

在對(duì)水工壓力隧道配筋計(jì)算過程中，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)做好應(yīng)力轉(zhuǎn)化的計(jì)算分析工作，在分析計(jì)算環(huán)節(jié)，技術(shù)人員在前期工作的基礎(chǔ)上，采取有效措施，利用高斯積分點(diǎn)法，有效進(jìn)行應(yīng)力的轉(zhuǎn)化以及分析工作。從實(shí)際情況來看，應(yīng)力的轉(zhuǎn)化主要通過內(nèi)力來實(shí)現(xiàn)，基于這種實(shí)際，在實(shí)際的分析環(huán)節(jié)，技術(shù)人員充分借助于高斯積分點(diǎn)法，將應(yīng)力轉(zhuǎn)化過程中，應(yīng)力的位置以及內(nèi)力大小進(jìn)行分析，同時(shí)，使用軸力、剪力以及彎矩等參數(shù)，快速完成應(yīng)力的轉(zhuǎn)化工作。通過這種方式，水工壓力隧道配筋計(jì)算工作得以有序進(jìn)行，較為直觀地反映出水工壓力隧道配筋要求，為后續(xù)襯砌工作的開展準(zhǔn)備了條件，大大增強(qiáng)了配筋的實(shí)用性，推動(dòng)水工壓力隧道開發(fā)施工活動(dòng)的有序開展。

3.3 ANSYS軟件配筋計(jì)算的基本方法

技術(shù)人員在實(shí)際的配筋計(jì)算環(huán)節(jié)，可以借助于必要的手段，充分利用軟件功能模塊設(shè)置，從前處理模塊、分析計(jì)算模塊以及后處理模塊等環(huán)節(jié)入手，扎實(shí)做好配筋計(jì)算工作。根據(jù)工作要求，在一定范圍內(nèi)，進(jìn)行建模處理，在確保建模效果的基礎(chǔ)上，提升建模質(zhì)量，縮短建模周期，減少額外的費(fèi)用支出，確保技術(shù)人員能夠快速完成建模處理，同時(shí)使用高斯積分點(diǎn)，對(duì)水工壓力隧道配筋環(huán)節(jié)，隧道拱頂、拱底以及隧道側(cè)邊的受力情況進(jìn)行全面分析，進(jìn)而完成襯砌承受的應(yīng)力進(jìn)行分析評(píng)估，并做好應(yīng)力轉(zhuǎn)化計(jì)算工作。通過這種方式，能夠充分利用軟件優(yōu)勢(shì)，在短時(shí)間內(nèi)，快速獲取計(jì)算分析結(jié)果，進(jìn)而提升配筋計(jì)算的有效性以及針對(duì)性，為后續(xù)配筋工作的開展提供參考，同時(shí)也為水工壓力隧道施工活動(dòng)的進(jìn)行提供了便利。

4結(jié)語

為進(jìn)一步做好水工壓力隧道配筋計(jì)算工作，文章以ANSYS軟件為突破口，通過有限元分析模型的構(gòu)建，對(duì)水工壓力隧道鋼筋配置方案進(jìn)行全面梳理，明確鋼筋配置特征以及要求。以此為切入點(diǎn)，從應(yīng)力轉(zhuǎn)化等層面出發(fā)，切實(shí)做好水工壓力隧道配筋計(jì)算工作。

參考文獻(xiàn)

[1] 周偉，王健.水工壓力隧道結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算分析[J].地下水，2016（04）：97-99.

[2] 舒恒.水工壓力隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)若干關(guān)鍵問題分析[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2018（04）：31-32.

[3] 陶鈞燁，呂愛鐘，尹崇林.非圓形壓力隧道考慮支護(hù)滯后過程的應(yīng)力與位移解析[J].長(zhǎng)江科學(xué)院學(xué)報(bào)，2018（01）：52.

[4] 孫留穎.基于ANSYS的應(yīng)力閘墩補(bǔ)強(qiáng)加固三維有限元分析[J].華北水利水電大學(xué)，2016（04）：113-116.

[5] 顧濱，王美懿.基于ANSYS對(duì)豐滿水電站重建工程溢流壩預(yù)應(yīng)力閘墩優(yōu)化方案的研究[J].水利水電技術(shù)，2016（07）：99-102.