基于ANSYS 有限元分析軟件的混凝土結(jié)構(gòu)位移分析

敬 晨

(黑龍江省三江工程建設(shè)管理局，哈爾濱150081)

1 ANSYS 原理

ANSYS 原理是有限單元法思想，即把計(jì)算域離散剖分為有限個互不重疊且相互連接的單元，在每個單元內(nèi)選擇基函數(shù)，用單元基函數(shù)的線形組合來逼近單元中的真解，整個計(jì)算域上總體的基函數(shù)可以看作由每個單元基函數(shù)組成的，則整個計(jì)算域內(nèi)的解可以看作是由所有單元上的近似解構(gòu)成［1］。

雖然有限單元法在力學(xué)模型上是近似解，但是在數(shù)學(xué)求解上非常嚴(yán)格。與傳統(tǒng)方法相比，這種方法計(jì)算能力非常強(qiáng)大，能夠應(yīng)用于很多大中型水利工程，故本文應(yīng)用ANSYS 軟件，以有限單元法的思想解決水利工程中的實(shí)際問題。

2 計(jì)算基本假定

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(jì)標(biāo)準(zhǔn)值選?。?］。

3 計(jì)算基本資料

3.1 工程概況

某水電站升船機(jī)渡槽段壩后安裝頂板為拱形，采用預(yù)制混凝土模板方案，預(yù)制混凝土模板為120°全拱，下部設(shè)牛腿。封拱時需要逐層澆筑混凝土，受力情況非常復(fù)雜。本文主要運(yùn)用有限單元法思想，結(jié)合ANSYS 軟件分析預(yù)制混凝土模板放入，左右同時澆筑一層混凝土?xí)r，整個結(jié)構(gòu)的位移。澆筑混凝土?xí)r，模型需要承受自身的重力、新澆筑混凝土的重力、鋼筋的重力以及二者對預(yù)制混凝土模板的側(cè)壓力。

3.2 材料參數(shù)

3.2.1 混凝土

①混凝土標(biāo)號:C30;②重度:25kN/m3;③泊松比:1/6;④混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值:1.43MPa;⑤混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值:14.3MPa。

彈性模量取值見表1。

3.2.2 基本靜荷載作用

①預(yù)制混凝土模板結(jié)構(gòu)自重;②新澆筑混凝土及鋼筋自重;③新澆筑混凝土對模板的側(cè)壓力。

3.3 荷載分項(xiàng)系數(shù)

進(jìn)行靜力計(jì)算，計(jì)算內(nèi)力、應(yīng)力時宜采用設(shè)計(jì)值，即標(biāo)準(zhǔn)值乘以荷載分項(xiàng)系數(shù);計(jì)算位移時宜采用標(biāo)準(zhǔn)值。本次計(jì)算中荷載分項(xiàng)系數(shù)均為1.05。

4 計(jì)算模型

計(jì)算模型的總體坐標(biāo)系取X 軸為水平上下游方向，指向下游為正;Y 軸為豎向，向上為正;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(diǎn)在牛腿處。

表1 不同齡期混凝土彈性模量取值

計(jì)算模型長度方向約為50 m，寬度方向?yàn)?0 m。為了更為真實(shí)地模擬施工過程，按實(shí)際尺寸和形狀建立全三維有限元模型。本研究選取三維實(shí)體單元solid45 建立模型，其中單單元最少模型共劃分單元66838 個，結(jié)點(diǎn)87188 個。網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量經(jīng)過分析，足夠精細(xì)，保證了計(jì)算結(jié)果的可靠性。網(wǎng)格繼續(xù)加密，導(dǎo)致單元個數(shù)增多，但對位移結(jié)果影響很小，而計(jì)算時間延長?；炷两Y(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)格剖分見圖1。

圖1 混凝土結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分圖

5 計(jì)算結(jié)果

網(wǎng)格劃分之后根據(jù)邊界條件施加荷載、求解。所提取的位移結(jié)果包括:

1)總位移。

2)X 方向位移:X 方向?yàn)樗缴舷掠畏较?，指向下游為正，指向上游為?fù)。

3)Y 方向位移:Y 方向?yàn)樨Q向，向上為正，向下為負(fù)。

4)Z 方向位移:Z 方向?yàn)樗阶笥覂蓚?cè)方向，指向右岸為正(面向下游，右手邊為右側(cè))。

經(jīng)過計(jì)算，可以提取出各個單元的總位移、X 方向位移、Y 方向位移以及Z 方向位移，但考慮到單元過多，僅提取出各個位移的最大及最小值。所提取的位移計(jì)算數(shù)據(jù)結(jié)果見表2，為了更加清晰、直觀，提取出總位移分布云圖，見圖2。圖中標(biāo)示出總位移較大處和位移較小處。

表2 位移計(jì)算結(jié)果

圖2 總位移分布圖

6 結(jié) 論

根據(jù)對計(jì)算結(jié)果的分析，可以得出以下結(jié)論:

1)經(jīng)過軟件分析計(jì)算，可以得到各個單元的總位移、X 方向位移、Y 方向位移及Z 方向位移。整體結(jié)構(gòu)總位移最大值為2.074 mm，發(fā)生在跨中;總位移最小值為0 mm，發(fā)生在支座及牛腿附近。

2)由于ANSYS 軟件本身的特點(diǎn)，有限元計(jì)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(jì)中需要注意。

［1］王瑁成.有限單元法［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2007.

［2］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.