基于ANSYS的裝配式方井U型構(gòu)件受力分析★

譚樹成 王 欣 鐘仕林 郭小燕 李思微

(四川蜀渝石油建筑安裝工程有限責(zé)任公司，四川 成都 610000)

U型模塊結(jié)構(gòu)裝配式方井及其裝配方法，主要通過將方井壁進(jìn)行工程模塊化生產(chǎn)，再將構(gòu)件運(yùn)送至施工現(xiàn)場進(jìn)行拼裝，減少施工現(xiàn)場的施工工序，避免了現(xiàn)場澆筑混凝土形勢帶來的環(huán)境污染及現(xiàn)場模板的浪費(fèi)，同時響應(yīng)裝配式綠色建筑的推廣和應(yīng)用[1-3]。為此，本文研究的新式頁巖氣方井結(jié)構(gòu)——U型模塊結(jié)構(gòu)裝配式方井基于有限元軟件ANSYS通過數(shù)值模擬手段，對裝配式方井工程不同工況進(jìn)行模擬，對比不同工況下方井的工作效果，從而得出有益于指導(dǎo)工程實(shí)際的結(jié)論[4]。

本文主要運(yùn)用有限元數(shù)值模擬技術(shù),對裝配式U型構(gòu)件的整個施工過程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、節(jié)點(diǎn)進(jìn)行模擬計算,確保施工過程中的安全穩(wěn)定性[5]。通過數(shù)值模擬分析結(jié)果表明:有限元數(shù)值模擬技術(shù),能夠較好地模擬施工過程中各個階段的變形位移以及所受到的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力的變化增幅均在規(guī)范要求以內(nèi)，故表明裝配式方井U型構(gòu)件在使用過程中不同工況下均具有足夠的穩(wěn)定性和承載性[6]。

1 模型的基本信息

針對裝配式方井預(yù)制模板的型號，采用ANSYS16.0建立了1個裝配式方井預(yù)制U型構(gòu)件有限元分析模型，裝配式方井的預(yù)制模型采用實(shí)體單元模擬，整個模型采用分離式建模，完成了較為清晰、系統(tǒng)的信息模型為后續(xù)研究工作提供基礎(chǔ)。

1.1 參數(shù)及模型基本特征

U型預(yù)制構(gòu)件為ZSYPC1型號這種規(guī)格，構(gòu)件的墻厚度為200 mm、寬為4 400 mm、側(cè)寬為2 500 mm，高度為1 200 mm；U型構(gòu)件配筋采用雙層雙向，主筋為HRB400，直徑14 mm鋼筋，分布鋼筋為HRB400，直徑10 mm鋼筋，U型預(yù)制構(gòu)件混凝土標(biāo)號為C35。模型方井構(gòu)件及相關(guān)尺寸如圖1，圖2所示。

1.2 U型構(gòu)件裝配式方井模型

根據(jù)圖3所示的幾何圖形，利用ANSYS16.0可建立裝配式方井U型構(gòu)件多線性各項(xiàng)同性硬化模型，混凝土采用Solid65建立模型，其中ZSYPC1型號U型構(gòu)件模型共由43 890個節(jié)點(diǎn)及45 528個單元體組成，內(nèi)部鋼筋布置模型為鋼筋雙線性各向同性硬化塑性模型，采用Link8建立模型，如圖4所示。模型邊界條件：假設(shè)U型構(gòu)件的最底部不發(fā)生任何豎向方向以及水平方向的位移，且不可旋轉(zhuǎn)，以及U型構(gòu)件的兩側(cè)支端端尾面不發(fā)生任何豎向方向以及水平方向的位移，且不可旋轉(zhuǎn)；因此約束U型構(gòu)件最底部水平方向的自由度以及豎向方向的自由度、U型構(gòu)件兩側(cè)支端端尾面水平方向的自由度以及豎向方向的自由度，處理為ux，uy，uz約束；U型構(gòu)件數(shù)值模擬約束條件的施加見圖5。

2 U型構(gòu)件不同工況下的數(shù)值模擬

通過數(shù)值模擬手段，對裝配式方井工程不同工況進(jìn)行模擬，對比不同工況下方井的工作效果，從而得出有益于指導(dǎo)工程實(shí)際的結(jié)論。

ZSYPC1型號的U型構(gòu)件模擬工況如下：

工況一：土壓力；U型預(yù)制構(gòu)件在受水平土壓力的影響作用，構(gòu)件是否會發(fā)生水平方向的混凝土破壞以及U型板折斷的現(xiàn)象。

工況二：土壓力+水壓力；在工況一的基礎(chǔ)上，考慮U型裝配式方井在半水情況下，水對方井內(nèi)壁即U型板內(nèi)壁的作用。

工況三：土壓力+水壓力+均布荷載；在工況二的基礎(chǔ)上，考慮在裝配式方井U型構(gòu)件上方施加均布荷載，模擬U型構(gòu)件是否會發(fā)生坍塌破壞。

數(shù)值模擬中鋼筋、混凝土的主要參數(shù)見表1，表2。

表1 主要對象物理力學(xué)參數(shù)(一)

表2 主要對象物理力學(xué)參數(shù)(二)

3 裝配式方井U型構(gòu)件模擬結(jié)果

3.1 不同工況下的模擬結(jié)果

3.1.1工況一

ZSYPC1型號U型構(gòu)件在外側(cè)底部所受到的土壓力為135.936 kN/m，外側(cè)頂部受到的土壓力為76.464 kN/m，水平方向土壓力在U型構(gòu)件外側(cè)頂部到底部之間呈線性梯形荷載分布，在ANSYS中ZSYPC1型號U型構(gòu)件模擬工況一的荷載及約束施加如圖6所示。

對ZSYPC1型號U型構(gòu)件模型施加水平方向的土壓力時，經(jīng)過建立數(shù)值模型，最終求解出ZSYPC1型號U型構(gòu)件在工況一的情況下混凝土第三主應(yīng)力云圖如圖7所示。

3.1.2工況二

ZSYPC1型號U型構(gòu)件在內(nèi)側(cè)底部所受到的水壓力為23.52 kPa，頂部受到的水壓力為11.76 kPa，水壓力在U型構(gòu)件內(nèi)側(cè)頂部到底部之間呈線性梯形荷載分布，在ANSYS中U型構(gòu)件模擬工況二的荷載及約束施加如圖8所示。

U型構(gòu)件模型在工況一的基礎(chǔ)上施加水平方向的水壓力時，經(jīng)過建立數(shù)值模型，最終求解出U型構(gòu)件在工況二的情況下混凝土第三主應(yīng)力云圖如圖9所示。

3.1.3工況三

土壓力+水壓力+均布荷載；在工況二的基礎(chǔ)上考慮到在裝配式方井上方施加均布荷載時對U型構(gòu)件所產(chǎn)生的影響，U型構(gòu)件是否會發(fā)生坍塌破壞；在ANSYS中工況三的荷載及約束施加如圖10所示。

在工況二的基礎(chǔ)上在U型構(gòu)件上方施加均布荷載時，經(jīng)過建立數(shù)值模型，最終求解出U型構(gòu)件在工況三的情況下混凝土第三主應(yīng)力云圖如圖11所示。

3.2 模擬結(jié)果分析結(jié)論

裝配式方井U型構(gòu)件在不同工況下，U型構(gòu)件的混凝土變形位移以及所受到的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力均無明顯的增幅，相較于工況二與工況三，工況一的變形位移與壓應(yīng)力和拉應(yīng)力增幅更大一些，工況二與工況三的增幅接近；工況一、工況二與工況三的混凝土變形位移以及所受到的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力的變化增幅均在規(guī)范要求以內(nèi)，故表面表明裝配式方井U型構(gòu)件在使用過程中不同工況下均具有足夠的穩(wěn)定性和承載性(如表3所示)。

表3 不同工況下U型構(gòu)件力學(xué)相應(yīng)表

由表3可知，裝配式方井U型構(gòu)件在不同工況下，U型構(gòu)件的混凝土變形位移以及所受到的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力均無明顯的增幅，相較于工況二與工況三，工況一的變形位移與壓應(yīng)力和拉應(yīng)力增幅更大一些，工況二與工況三的增幅接近；工況一、工況二與工況三的混凝土變形位移以及所受到的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力的變化增幅均在規(guī)范要求以內(nèi)，故表面表明裝配式方井U型構(gòu)件在使用過程中不同工況下均具有足夠的穩(wěn)定性和承載性[7,8]。

通過以上U型構(gòu)件在不同工況下的數(shù)值模擬分析可知，U型構(gòu)件的最大變形位移為0.070 2 mm，最大壓應(yīng)力為0.092 2 MPa，最大拉應(yīng)力為0.011 7 MPa，滿足規(guī)范GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的要求，故U型構(gòu)件所產(chǎn)生的最大變形位移、最大壓應(yīng)力以及最大拉應(yīng)力尚不足以對U型構(gòu)件造成不可逆形變[9]。

4 結(jié)論與展望

1)裝配式方井U型構(gòu)件在不同工況下，U型構(gòu)件的變形位移、拉應(yīng)力、壓應(yīng)力以及抗剪承載能力均能滿足規(guī)范GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的要求。2)通過數(shù)值模擬分析，在U型構(gòu)件上方施加荷載時，構(gòu)件的底部受到的應(yīng)力相較于其他部位更為集中，故在裝配式方井拼接過程中要尤為注意構(gòu)件底部的連接，才能確保裝配式方井的長期使用，避免裝配式方井構(gòu)件的破壞、變形。3)利用有限元ANSYS分析軟件可以得到滿足工程要求的數(shù)值解，可縮短設(shè)計工期、降低工程成本，解決工程中的結(jié)構(gòu)分析問題。