雁形板三維有限元結(jié)構(gòu)分析

趙夢(mèng)巖，李曉辰

（中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司，天津300222）

雁形板三維有限元結(jié)構(gòu)分析

趙夢(mèng)巖，李曉辰

（中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司，天津300222）

通過(guò)MIDAS結(jié)構(gòu)力學(xué)軟件，以MIDAS在某工程中的實(shí)際應(yīng)用，對(duì)廠房雁形板進(jìn)行三維有限元結(jié)構(gòu)分析。該軟件能夠直觀準(zhǔn)確地反映出廠房雁形板在各種工況下的應(yīng)力應(yīng)變情況，為優(yōu)化廠房雁形板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和配筋提供可靠的依據(jù)。

MIDAS；三維有限元；雁形板；結(jié)構(gòu)

1 計(jì)算條件

某工程廠房雁形板采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，現(xiàn)用MIDAS三維有限元計(jì)算軟件對(duì)雁形板運(yùn)行期和施工期的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行分析。

雁形板混凝土強(qiáng)度等級(jí)C45，預(yù)應(yīng)力鋼絲直徑5mm。鋼絲在雁形板底面梁布置56根，在雁形板兩翼各布置7根，跨度23.25m。

本次計(jì)算C45混凝土容重取25kN/m3，重力加速度g=9.78m/s2，外加永久屋面荷載1.2kN/m2，屋面荷載0.5kN/m2。計(jì)算分為運(yùn)行工況和施工工況，考慮到計(jì)算的重要性，計(jì)算增加了對(duì)軟件自動(dòng)考慮預(yù)應(yīng)力損失和不自動(dòng)考慮預(yù)應(yīng)力損失的兩種計(jì)算工況。

2 計(jì)算過(guò)程

2.1 模型建立

采用MIDAS軟件進(jìn)行計(jì)算。選取單塊雁形板，垂直方向承受自重荷載和外加永久荷載計(jì)算，并建立三維模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖1。

圖1 雁形板三維模型

2.2 添加約束及荷載

將雁形板與梁接觸部分一端定義為鉸接，另一端定義為滑動(dòng)支座。添加荷載包括雁形板自重、永久荷載及屋面荷載和預(yù)應(yīng)力荷載。

預(yù)應(yīng)力荷載添加方式為將預(yù)應(yīng)力計(jì)算等效為在雁形板左右兩端添加的張拉壓力，所配鋼絲抗拉強(qiáng)度1860MPa，底面梁配置根數(shù)56根，等效鋼筋截面面積1099mm2，長(zhǎng)度28.8m；兩翼各配置7根，等效鋼筋截面面積137.37mm2，長(zhǎng)度6m。張拉控制應(yīng)力取0.7fptk，超張3%，經(jīng)計(jì)算，得出張拉控制應(yīng)力1302N/mm2。

2.3 預(yù)應(yīng)力損失分析

（1）若程序自動(dòng)考慮預(yù)應(yīng)力損失，在雁形板模型中施加預(yù)應(yīng)力時(shí)，直接對(duì)預(yù)應(yīng)力筋施加應(yīng)力1302N/mm2。

（2）若程序沒(méi)有自動(dòng)考慮預(yù)應(yīng)力損失，在雁形板模型中施加預(yù)應(yīng)力時(shí)，應(yīng)扣除預(yù)應(yīng)力損失，損失按GB50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》計(jì)算，取預(yù)應(yīng)力損失267.6N/mm2。得出預(yù)應(yīng)力筋有效應(yīng)力：

σpc=σcom-σl=1302-267.6=1034.4 N/mm2

以程序不自動(dòng)考慮預(yù)應(yīng)力為例，底部預(yù)應(yīng)力1136kN，在梁的對(duì)稱中心線上，距離大梁端部斷面底面高150mm處位置，方向水平，垂直于雁形板橫斷面，如圖2；兩翼施加預(yù)應(yīng)力142kN，在兩翼區(qū)域的中心點(diǎn)上，方向水平，垂直于雁形板橫斷面，長(zhǎng)度6m，如圖3。

圖2 底部預(yù)應(yīng)力

圖3 兩翼預(yù)應(yīng)力

2.4 計(jì)算工況

將邊界條件（約束）和荷載激活，求解類型定義為線性靜力，分4種工況進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算工況如表1。

表1 計(jì)算工況

3 計(jì)算結(jié)果與分析

通過(guò)各種工況的分析計(jì)算，得出雁形板在各種工況下的計(jì)算結(jié)果。

3.1 雁形板位移

通過(guò)計(jì)算，可得出各種工況下雁形板的位移變形圖。以工況1為例，將所有荷載施加后，雁形板的各部位變形均能反應(yīng)出來(lái)?，F(xiàn)選取具有代表性的雁形板總位移、兩翼變形及梁底變形圖進(jìn)行展示，具體變形情況如圖4。

圖4 總位移

總位移圖中的虛線部分為原始圖形，實(shí)心部分為加荷載之后的位移效果，線上圖的曲線為兩翼端部和底梁的變形值，經(jīng)計(jì)算，最大變形處在梁跨中部分的兩翼位置，變形8.76mm，小于l0/400=60mm的撓度限值。

3.2 雁形板表面應(yīng)力

通過(guò)計(jì)算，得出雁形板在各種工況下的表面應(yīng)力。以工況1為例，將所有荷載施加后，X，Y，Z 3個(gè)方向上的應(yīng)力值均顯示出來(lái)，其中拉力為正值，壓力為負(fù)值。具體數(shù)值如圖5。

圖5 應(yīng)力云圖

3.3 計(jì)算結(jié)果

其他工況計(jì)算方法與工況1相同，在此不再累述，現(xiàn)僅將雁形板在不同工況下的上、下表面的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表2～表3。

表2 雁形板上表面應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

表3 雁形板下表面應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)果可知，在混凝土等級(jí)為C45，張拉控制應(yīng)力0.7fptk時(shí)，雁形板在X，Y，Z軸方向應(yīng)力大部分為壓應(yīng)力，局部位置有拉應(yīng)力；且壓應(yīng)力均小于混凝土允許抗壓強(qiáng)度21.1MPa，拉應(yīng)力均小于混凝土允許抗拉強(qiáng)度1.8MPa，滿足抗裂要求。

通過(guò)運(yùn)用MIDAS三維有限元進(jìn)行廠房雁形板的結(jié)構(gòu)計(jì)算，分析了雁形板運(yùn)行期和施工期的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，進(jìn)一步增強(qiáng)廠房雁形板結(jié)構(gòu)計(jì)算的可視性和安全度，此種廠房雁形板三維有限元結(jié)構(gòu)分析法值得進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

［1］GB50009—2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］.

［2］SL191—2008，水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］SL266—2014，水電站廠房設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4］張麗.水電站［M］.鄭州：黃河水利出版社，2009.

［5］中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司.雁形板三維有限元結(jié)構(gòu)分析［R］.2015.

（責(zé)任編輯：姜彤宇）

3D finite element structural analysis of bird-shape plate

ZHAO Meng-yan，LI Xiao-chen
（Beifang Investigation，Design&Research CO.LTD，Tianjin 300222，China）

This paper takes the application of MIDAS in a certain project as an example，analysis of 3D finite element structure of bird-shape plate.The stress-strain of bird-shape plate with different condition is reflected accurately by the software，it provides a reference for the optimization of bird-shape plate structure design and reinforcement.

MIDAS；3D finite element；bird-shape plate；structure

TV222

：B

：1672-9900（2017）02-0080-03

2017-03-07

趙夢(mèng)巖（1989-），男（漢族），天津人，助理工程師，主要從事水工設(shè)計(jì)工作，（Tel）13920649001。