基于Ansys的地下皮帶廊受力分析及設(shè)計(jì)優(yōu)化研究

陳 生 年

(沈陽鋁鎂設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)優(yōu)化研究

陳 生 年

(沈陽鋁鎂設(shè)計(jì)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(tài)，通過調(diào)整皮帶廊頂板、側(cè)壁、底板的厚度，分析了不同厚度組合下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，依據(jù)內(nèi)力結(jié)果調(diào)整地下皮帶廊的配筋，對(duì)比了不同厚度組合下的混凝土、鋼筋及總工程造價(jià)，得出了較為合理的截面厚度組合，達(dá)到了優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

地下皮帶廊，Ansys，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，受力分析

0 引言

地下皮帶廊是工業(yè)生產(chǎn)過程中比較常見的輸送系統(tǒng)。由于其結(jié)構(gòu)形式簡單，常常不為設(shè)計(jì)者所重視，因此，由于設(shè)計(jì)考慮不周而出現(xiàn)強(qiáng)度不足、開裂嚴(yán)重等質(zhì)量問題，或者截面、配筋較大，造成不必要的浪費(fèi)。為解決這一問題，本文利用大型通用有限元軟件Ansys對(duì)鋼筋混凝土地下皮帶廊進(jìn)行受力分析和設(shè)計(jì)優(yōu)化研究。

1 工程實(shí)例

某大型氧化鋁廠預(yù)均化堆場子項(xiàng)，鋁土礦經(jīng)過破碎后，由地上皮帶運(yùn)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(nèi)的皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)，轉(zhuǎn)運(yùn)到下一個(gè)工藝的生產(chǎn)車間。地下皮帶廊底板頂標(biāo)高為-8 m，凈寬3 m，凈高2.8 m，長度200 m，地面標(biāo)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(shè)計(jì)鋼筋混凝土地下皮帶廊的截面和配筋。

2 結(jié)構(gòu)有限元建模分析

2.1 單元選擇

整個(gè)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(fā)生在平面內(nèi)，屬于平面應(yīng)變問題。因此，采用Ansys建模時(shí)，可只建立1 m長結(jié)構(gòu)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(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)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(shí)常數(shù)中梁寬為1 m，梁高定義為一個(gè)變量，以便于進(jìn)行Ansys命令流的編制和參數(shù)化計(jì)算。單元模型如圖2所示。

2.2 結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)強(qiáng)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(jié)點(diǎn)坐標(biāo)法建立節(jié)點(diǎn)，再通過節(jié)點(diǎn)生成單元。單元尺寸為0.1 m，共建立結(jié)點(diǎn)數(shù)量124個(gè)，單元數(shù)量124個(gè)。

地下皮帶廊是個(gè)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，兩側(cè)土壓力大小相等、方向相反，可對(duì)結(jié)構(gòu)模型做適當(dāng)?shù)暮喕?。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(shí)彈簧受壓變形，產(chǎn)生的反力反作用于底板上?？紤]到土彈簧剛度受土層參數(shù)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(duì)地下皮帶廊的受力和變形分析可知：皮帶廊兩側(cè)荷載相同，結(jié)構(gòu)水平方向約束反力應(yīng)為零，底板和頂板跨中位置只發(fā)生豎向變形而無水平方向變形，在此位置節(jié)點(diǎn)施加水平方向約束不改變結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)；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(diǎn)位置施加豎向節(jié)點(diǎn)約束對(duì)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)自重加土壓力，活載為堆料荷載。恒載、活載對(duì)結(jié)構(gòu)均為不利作用，根據(jù)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(tài)下可變荷載控制的荷載效應(yīng)設(shè)計(jì)值以及正常使用極限狀態(tài)下荷載準(zhǔn)永久組合的荷載效應(yīng)設(shè)計(jì)值[2]。

3 有限元計(jì)算結(jié)果分析

Ansys結(jié)構(gòu)計(jì)算完畢進(jìn)入后處理程序。調(diào)用單元節(jié)點(diǎn)彎矩，繪制整個(gè)結(jié)構(gòu)在承載力極限狀態(tài)荷載組合作用下結(jié)構(gòu)彎矩圖，如圖3所示。

由圖3可知：

1)頂板、底板跨中位置內(nèi)側(cè)受拉、外側(cè)受壓；

2)頂板、底板靠近豎壁位置外側(cè)受拉、內(nèi)側(cè)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(duì)頂板、底板的約束作用有限，達(dá)不到固定約束，為彈性嵌固作用；

4)豎壁全部外側(cè)受拉、內(nèi)側(cè)受壓，說明頂板、底板有不平衡彎矩傳給豎壁，導(dǎo)致豎壁外側(cè)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

為了減少工程造價(jià)，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(tài)下，各個(gè)控制截面的彎矩設(shè)計(jì)值如表1所示。在荷載準(zhǔn)永久組合作用下，控制截面的彎矩設(shè)計(jì)值如表2所示。

表1 承載力極限狀態(tài)下控制截面彎矩設(shè)計(jì)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(shí)，其約束作用有限，為彈性嵌固；

2)隨著豎壁厚度的減小，其對(duì)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(duì)厚度的增加，其承擔(dān)的彎矩逐漸增加。

表2 荷載準(zhǔn)永久組合作用下控制截面彎矩設(shè)計(jì)值 kN·m

依據(jù)表1，表2(用于計(jì)算裂縫是否滿足規(guī)范要求)以及混凝土受彎構(gòu)件最小配筋率要求[3]，計(jì)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(tǒng)計(jì)六種組合下的材料量并進(jìn)行工程造價(jià)對(duì)比，如表4所示。

表4 皮帶廊材料及造價(jià)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(shí)，地下皮帶廊結(jié)構(gòu)費(fèi)用最小；

2)上述板厚組合條件下，壁厚越小，結(jié)構(gòu)費(fèi)用越低。

5 結(jié)語

1)豎壁對(duì)頂板、底板的嵌固作用有限，為彈性嵌固，實(shí)際工程中頂板、底板跨中彎矩較支座彎矩大，這點(diǎn)應(yīng)引起注意。

2)豎壁所受荷載較小，減小豎壁厚度對(duì)降低結(jié)構(gòu)費(fèi)用有利。

3)頂板、底板跨中主受力鋼筋按裂縫控制計(jì)算得來，切不可只滿足強(qiáng)度計(jì)算要求。

4)由于①，②，③，⑤鋼筋為構(gòu)造配筋，按最小配筋率計(jì)算得來，故減小壁厚對(duì)降低結(jié)構(gòu)費(fèi)用有利。

[1] Ansys公司理論手冊[Z].

[2] GB 50009—2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[3] GB 50010—2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)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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