郭佳樂，溫 州

(黑龍江省水利水電勘測設(shè)計研究院，哈爾濱 150080)

文章編號：1007-7596(2015)12-0023-02

大體積混凝土的三維有限元分析計算實例

郭佳樂，溫 州

(黑龍江省水利水電勘測設(shè)計研究院，哈爾濱 150080)

大體積混凝土施工，受力情況復(fù)雜，進行三維有限元分析計算十分必要。文章結(jié)合工程實例，通過有限元計算，對整個結(jié)構(gòu)的受力進行全面的了解，可以檢驗?zāi)壳笆┕し桨覆贾玫暮侠硇?、可靠性，并且通過ANSYSC程序進行有限元計算，為結(jié)構(gòu)配筋、施工詳圖設(shè)計提供依據(jù)。

大體積混凝土；三維有限元分析；ANSYS程序；單元；計算模型

1 工程概況

某水電站升船機渡槽段全長85.45m(0+115.500～0+200.950)，寬度20m(壩左0+175.400～壩左0+155.400)。壩后廠房安裝間頂板為1200圓弧拱(以下簡稱頂拱)，頂拱尺寸：半徑R=22.805m，跨度為39.5m，高度為11.403m，拱頂高程為361.500m，兩端與邊墻相連，安裝間地面高程為280.740m，安裝間地面至拱頂?shù)母叨葹?0.760m。頂拱混凝土澆筑期間下方壩后廠房安裝間也在同時施工，為確保頂拱下方壩后廠房安裝間施工的安全以及該壩段整體施工進度要求，廠房安裝間頂拱混凝土澆筑施工(下稱渡槽段封拱施工)擬采用預(yù)制混凝土模板的施工方案，以便底部廠房安裝間施工的同時繼續(xù)澆筑頂拱以上混凝土。

2 研究目的、背景及意義

本工程進行了120°全拱預(yù)制混凝土模板、180度全拱預(yù)制混凝土模板及120°半拱預(yù)制混凝土模板等三種布置，并著重對120°全拱預(yù)制混凝土模板方案進行詳細研究。選定了預(yù)制混凝土模板、移動樣架及下部安全網(wǎng)的結(jié)構(gòu)型式、對結(jié)構(gòu)的強度和剛度進行了分析計算。渡槽段封拱施工為大體積混凝土施工，受力情況復(fù)雜，進行三維有限元分析計算十分必要。通過有限元計算，可以使對整個結(jié)構(gòu)的受力有全面的了解，檢驗?zāi)壳笆┕し桨覆贾玫暮侠硇?、可靠性，并且通過有限元計算，為結(jié)構(gòu)配筋、施工詳圖設(shè)計提供依據(jù)。

3 研究內(nèi)容及ANSYS軟件優(yōu)點

在結(jié)構(gòu)整體澆筑完畢后進行計算，主要計算整體結(jié)構(gòu)的第一主應(yīng)力及第三主應(yīng)力。第一主應(yīng)力為主平面上的最大正應(yīng)力，第三主應(yīng)力為主平面上的最小正應(yīng)力，兩種應(yīng)力均正為拉應(yīng)力，負為壓應(yīng)力。按照澆筑左側(cè)或者右側(cè)一層混凝土需要三天時間來模擬整個施工過程。

采用ANSYS軟件進行大體積混凝土有限元分析計算，是由于ANSYS軟件在水利工程科研和設(shè)計中具有以下優(yōu)點：①前處理功能強大。在建立模型及網(wǎng)格劃分時能提供近200種單元類型，用戶在計算時可以根據(jù)工程實際情況進行單元類型的選擇，選出最符合的單元類型，以便更好的對工程仿真研究。②求解器功能強大。求解時能提供結(jié)構(gòu)、熱、流體、磁場等多物理場的分析。③后處理器輸出方便快捷。ANSYS軟件在計算分析結(jié)束后，不僅可以通過圖表、曲線提供運算數(shù)據(jù)，得到每個單元及節(jié)點的分析結(jié)果，還可以以云圖、矢量圖及等值線圖等圖片形式直觀反映運算結(jié)果。④二次開發(fā)功能顯著。在使用ANSYS軟件過程中，當(dāng)軟件本身不能滿足用戶需求時，用戶可以進行二次開發(fā)。ANSYS具有良好的開發(fā)性，支持多種程序語言的二次開發(fā)，更加便于用戶使用。

4 計算基本假定[1]

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)計標準值選取。

5 計算模型

計算模型長度方向約為50m，寬度方向為20m，高度方向上根據(jù)不同工況而不同。為了更為真實地模擬施工過程，按實際尺寸和形狀建立全三維有限元模型。本研究選取三維實體單元solid45建立模型，計算的每一種工況都對應(yīng)1個模型，其中單元最多模型共劃分單元個221646，結(jié)點254093個；單元最少模型共劃分單元 66838個，結(jié)點87188 個。網(wǎng)格劃分足夠精細，保證了計算結(jié)果的可靠性?；炷两Y(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)格剖分見圖1。計算模型的總體坐標系取Y軸為豎向，向上為正；X軸為水平上下游方向，指向下游為正；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))，坐標原點在牛腿處。

施加約束包括：

1)底部按照固定端考慮，施加全部約束；

2)兩側(cè)施加X方向的約束；

3)根據(jù)不同工況，施加不同荷載，材料彈模隨時間變化而變化。

6 計算結(jié)果

計算第一、第三主應(yīng)力結(jié)果見表1。整個結(jié)構(gòu)第一主應(yīng)力分布圖見圖1，第三主應(yīng)力分布圖見圖2。

表1 計算結(jié)果

圖1 對應(yīng)的有限元模型

圖2 第一主應(yīng)力圖

7 結(jié) 論

根據(jù)對計算結(jié)果的分析，可以得出以下結(jié)論：

1)本文通過對工程實例進行計算，結(jié)構(gòu)第一主應(yīng)力拉應(yīng)力為0.51MPa，壓應(yīng)力為0.52MPa；第三主應(yīng)力拉應(yīng)力為0.009Mpa，壓應(yīng)力為5.15MPa。拉應(yīng)力及壓應(yīng)力都比較小，均小于混凝土的抗拉和抗壓強度。砼的強度均滿足要求。

2)混凝土由于ANSYS軟件本身的特點，有限元計算過程中，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)計中需要注意。

3)隨著經(jīng)濟社會不斷發(fā)展，水利工程體型及邊界條件日趨復(fù)雜，需要通過ANSYS等有限元軟件進行更多更加復(fù)雜、多樣的計算與分析，有限單元法將在水利工程中發(fā)揮越來越重要的作用。水利專業(yè)技術(shù)人員應(yīng)該逐步掌握有限元分析軟件，更好地應(yīng)用于科研與設(shè)計中。

[1]賴永標.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，2007：37-41.

2015-07-26

郭佳樂(1987-)，女，黑龍江哈爾濱人，工程師；溫州(1983-)，男，黑龍江哈爾濱人，工程師。

TU755

B