陳李鋒

(福建福永工程技術(shù)有限公司　福建福州　350012)

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ANSYS有限元軟件在某古建筑受力分析中的應(yīng)用

陳李鋒

(福建福永工程技術(shù)有限公司福建福州350012)

古建筑材料特殊、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在工程研究中較難分析其內(nèi)部的應(yīng)力分布，文章通過(guò)例子介紹ANSYS有限元軟件在古建筑受力分析中的應(yīng)用。

有限元；古建筑；應(yīng)力分布

0　引言

近年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，加強(qiáng)對(duì)文物建筑的保護(hù)，繼承中華民族優(yōu)秀的歷史文化遺產(chǎn)越來(lái)越迫切。由于古建筑建造年代久遠(yuǎn)，受當(dāng)時(shí)條件所限，部分古建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件傳力路線不明確、內(nèi)力分布復(fù)雜，加上年久失修，存在很大的安全隱患。建筑結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)前需要探明其病害的原因，才能采取較合理的方案對(duì)其病害進(jìn)行加固處理，因此古建筑加固設(shè)計(jì)前需要在勘查中探明殘損現(xiàn)狀，進(jìn)而進(jìn)行科學(xué)的分析計(jì)算，在論證的基礎(chǔ)上，做出古建筑造成當(dāng)前殘損現(xiàn)狀原因的判斷，避免誤判，造成損失。本文通過(guò)ANSYS有限元軟件對(duì)某古建筑進(jìn)行受力分析，通過(guò)分析應(yīng)力云圖協(xié)助判定其病害的原因，取得良好的效果。

1　古建筑ANSYS建模方法

有限元法在工業(yè)界的應(yīng)用已超過(guò)一百年以上的歷史。經(jīng)過(guò)科技革命，計(jì)算機(jī)出現(xiàn)及發(fā)展使得有限元理論得以長(zhǎng)足的發(fā)展，有限元分析結(jié)構(gòu)的受力情況在工程應(yīng)用中已經(jīng)相當(dāng)成熟。有限元分析理論從Matrix Structural Analysis的方法發(fā)展開始，首先應(yīng)用于Beam及Truss為主的鋼構(gòu)上，此后將理論引用至各個(gè)物理領(lǐng)域。ANSYS是隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，以有限元分析理論為基礎(chǔ)而開發(fā)出來(lái)的一個(gè)大型有限元分析軟件。利用ANSYS有限元軟件對(duì)古建筑進(jìn)行受力分析可大致分為以下3個(gè)步驟[1，2]。

1.1前處理階段

總的來(lái)說(shuō)，前處理階段就是根據(jù)需要分析的古建筑的特性選用適當(dāng)?shù)脑兀x元素特性及材料性質(zhì)、建立古建筑的實(shí)體模型并產(chǎn)生有限元模型。ANSYS中的元素種類以空間的立場(chǎng)來(lái)分類，可以分為點(diǎn)元素、線元素、面元素及體元素，除此之外，ANSYS的元素庫(kù)中還包含許多其他的元素，例如以Surf開頭的表面現(xiàn)象元素、以Cont開頭的接觸元素等。建模時(shí)應(yīng)根據(jù)古建筑材料的性質(zhì)及整體結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，對(duì)古建筑的受力做合理的假設(shè)與簡(jiǎn)化，挑選出合理的元素種類，進(jìn)入下一階段的工作。選好了元素后，要對(duì)元素的特性進(jìn)行設(shè)置，即設(shè)置Real Constant。元素的特性設(shè)置須以古建筑真實(shí)幾何模型的特性及古建筑材料的特性為依據(jù)。

材料特性設(shè)置完后進(jìn)入實(shí)體模型的建立，建立實(shí)體模型可采取從上而下(Top-Down)或從下到上(Bottom-Up)兩種方法，在一個(gè)比較復(fù)雜的實(shí)體模型建模的過(guò)程中兩種方法經(jīng)常是混合使用的。實(shí)體模型建完后即可以通過(guò)對(duì)實(shí)體模型的網(wǎng)格劃分把定義好的元素特性賦予實(shí)體模型，經(jīng)過(guò)網(wǎng)格劃分后的實(shí)體模型才可進(jìn)行計(jì)算分析。

1.2計(jì)算分析階段

1.3后處理階段

后處理器最主要的任務(wù)是將有限元計(jì)算分析的結(jié)果以圖形或文字的形式表現(xiàn)出來(lái)，以供判斷分析之用。在文字輸出的信息方面，包含節(jié)點(diǎn)及元素的變形量、應(yīng)力及應(yīng)變等數(shù)據(jù)。對(duì)構(gòu)造簡(jiǎn)單的模型來(lái)說(shuō)，所提供的文字信息或許已經(jīng)足夠。但對(duì)復(fù)雜的模型而言，龐大的文字信息反而造成用戶無(wú)所適從的感覺(jué)，因此往往需要在圖形情息中，利用顏色深淺變化的情況來(lái)分析建筑物的應(yīng)力應(yīng)變分布情況。在模型線性分析的基礎(chǔ)上，還可以在計(jì)算分析中對(duì)不同的工況進(jìn)行分析計(jì)算，利用后處理技術(shù)讀取多個(gè)工況組合計(jì)算的結(jié)果。

2　工程實(shí)例

2.1工程概況

某土樓建于公元1912年(民國(guó)元年)，1917年建造而成，占地5 000m2。該土樓的建筑結(jié)構(gòu)奇特，圓樓外左右有對(duì)稱的半月形館相輔，外觀建筑恰似一頂封建官吏的烏紗帽，主體是以我國(guó)神奇的八卦樓所布局，是樓中有樓的二環(huán)樓。外環(huán)樓是架梁式的土木結(jié)構(gòu)，內(nèi)環(huán)樓是磚木結(jié)構(gòu)，有外土內(nèi)洋之稱。外環(huán)樓墻是當(dāng)?shù)厝〔牡纳两?jīng)加工后夯筑而成，墻內(nèi)每10cm厚布滿竹板式木條作墻筋，樓高19m。內(nèi)外三環(huán)共有208個(gè)房間。第一層作廚房和飯廳，二層作糧倉(cāng)，三、四樓則為臥室。每層樓有房間40間，配4副樓梯，按八卦方位設(shè)計(jì)，乾巽艮坤卦位為公共場(chǎng)所，分別為后廳、門廳和左右側(cè)門；坎震況離卦方位為住房，各配樓梯，概設(shè)門戶，戶閉自成院落，卦門開連成整體，卦與卦之間設(shè)防火隔墻，建造成輻射狀八等分，每封之間設(shè)有男女浴室和豬舍。具有卦門開即連成一體，卦門閉則自成小單元。

樓中樓是二層建筑的磚木結(jié)構(gòu)，內(nèi)有石雕柱腳、木刻門面，有琉璃瓦當(dāng)和窗戶，二樓走廊欄桿是鑄鐵鑄成有梅蘭菊竹為圖案的欄桿，緊連著全樓中的中心大廳——樓中的重要活動(dòng)中心場(chǎng)所，作議事廳、宴客廳，并可兼做戲臺(tái)。

2.2ANSYS模型計(jì)算分析

本文就該剖面土墻建立ANSYS有限元模型，分析計(jì)算得出其應(yīng)力云圖，與現(xiàn)場(chǎng)的土墻裂損現(xiàn)狀進(jìn)行分析比較，分析裂縫產(chǎn)生的原因，以供最終確定對(duì)該土墻加固修復(fù)的方案參考[3]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)查勘情況可知，該土墻主要是由土體夯筑而成，其材料屬顆粒狀材料，此類材料受壓屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)大于受拉屈服強(qiáng)度，且材料受剪時(shí)顆粒會(huì)膨脹，因此，土墻土體的模型采用了Drucker-Prager本構(gòu)模型，流動(dòng)法則采用關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則，即膨脹角和內(nèi)摩擦角相等，按照經(jīng)驗(yàn)值均取8°。選取墻體剖面建立模型，采用三節(jié)點(diǎn)三角形單元進(jìn)行分析，因本工程僅進(jìn)行二維剖面分析，模型較為簡(jiǎn)單，僅采用自由劃分單元即可。邊界條件：土墻基底為剛性邊界，各節(jié)點(diǎn)在水平向及豎向位移均受到約束，上部及土墻左右邊界側(cè)均為自由邊界[4]。

根據(jù)土墻x方向應(yīng)力云圖(圖2)可知，土墻x方向應(yīng)力出現(xiàn)在底部基礎(chǔ)約束區(qū)域，而在臨近門洞的洞口上側(cè)弧頂位置及洞口下側(cè)均出現(xiàn)正應(yīng)力即拉應(yīng)力，土墻抗拉強(qiáng)度較差，因此在這些拉應(yīng)力出現(xiàn)的區(qū)域容易出現(xiàn)裂縫。分析的結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)勘察發(fā)現(xiàn)土墻裂縫主要出現(xiàn)在門洞頂部，且裂縫寬度在靠近門洞位置最大，裂縫性狀為一端寬，沿著裂縫另一端方向?qū)挾戎饾u變小的現(xiàn)狀相吻合。根據(jù)土墻y方向應(yīng)力云圖(圖3)可知，y方向應(yīng)力總體來(lái)說(shuō)從頂層至底層逐漸增大，均表現(xiàn)為負(fù)應(yīng)力即壓應(yīng)力，在同一標(biāo)高處門洞兩側(cè)比其余墻體壓應(yīng)力要大，在底層右側(cè)拱腳位置的墻段達(dá)到最大值，這與現(xiàn)場(chǎng)勘察發(fā)現(xiàn)的大部分墻體該墻段位置出現(xiàn)豎向裂縫，裂縫性狀表現(xiàn)為中間寬兩端窄，且局部出現(xiàn)磚塊被壓碎的現(xiàn)狀相吻合。

從xy方向剪應(yīng)力云圖(圖4)可知，該土墻剪應(yīng)力在各門洞頂部拱券[5]45°位置剪應(yīng)力較大，在局部墻體變截面處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，加固中需適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)。

根據(jù)上述ANSYS模型計(jì)算結(jié)果分析并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)裂損現(xiàn)狀，明確了引起該建筑物結(jié)構(gòu)病害的原因，在加固設(shè)計(jì)時(shí)就可以對(duì)癥下藥，如在拱頂裂縫進(jìn)行修復(fù)后須解決其抗拉強(qiáng)度不夠這一根本原因，才能從根源上消除原有的病害；同時(shí)底層墻段由于抗壓承載力不足引起的裂縫修復(fù)后同樣需要解決其抗壓承載能力不足這一根本原因，才能使得結(jié)構(gòu)在修復(fù)后不會(huì)重復(fù)產(chǎn)生同樣原因的病害。

2.3針對(duì)ANSYS分析結(jié)果的加固方法

根據(jù)以上分析結(jié)果，采用具體方案進(jìn)行維修加固。針對(duì)拱劵頂部位置分析結(jié)果由于水平向拉應(yīng)力而產(chǎn)生的裂縫，采用封閉鋼板箍加固，鋼板箍沿拉應(yīng)力的方向布置，提高拱頂水平向抗拉能力；針對(duì)拱腳分析，由于豎向壓應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫，采用環(huán)貼鋼板箍加固，鋼板箍方向垂直于壓應(yīng)力方向布置；針對(duì)在各門洞頂部拱券45°位置剪應(yīng)力較大問(wèn)題，由于原建筑尚未出現(xiàn)具體病害，說(shuō)明原建筑該部位承載力尚能滿足要求，考慮到古建筑盡量保持原有風(fēng)貌的原則，暫不處理。

根據(jù)本文分析后出具的針對(duì)性加固維修方案，經(jīng)過(guò)維修加固后，本工程使用至今已三年左右，使用效果良好。

3　結(jié)論

本文通過(guò)概括性的介紹了ANSYS有限元軟件在結(jié)構(gòu)受力分析中建模的基本過(guò)程，并通過(guò)實(shí)際工程實(shí)例建模分析，探明了該古建筑土墻裂損的原因，以供確定其結(jié)構(gòu)加固修復(fù)方案參考。從中可以看出ANSYS有限元軟件在以構(gòu)件傳力路線不明確、材料特殊及結(jié)構(gòu)復(fù)雜為特點(diǎn)的的古建筑受力分析中具有優(yōu)越性，通過(guò)應(yīng)力云圖可以直觀地得出正負(fù)應(yīng)力的分布情況以查明應(yīng)力集中的具體位置并確定結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，因此ANSYS有限元軟件在探明古建筑應(yīng)力分布情況、分析古建筑結(jié)構(gòu)殘損原因、明確加固方法等方面可起到一定的作用。本文的工程實(shí)例經(jīng)受力分析后確定加固設(shè)計(jì)方案，加固后交付使用，加固效果明顯。

[1]Saeed Moaveni. Finite Element Analysis: Theory and Application with ANSYS, Second Edition

[2]康淵，陳信吉.ANSYS入門(第三版)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2007

[3]劉大可.古建筑屋面荷載匯編[J].古建園林技術(shù)，2001

[4]GB5009-2001 建筑荷載規(guī)范[S]

[5]王效青.中國(guó)古建筑術(shù)語(yǔ)辭典[M].太原：山西人民出版社，1996

陳李鋒(1984.10-)，副總工，工程師，主要從事結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)、施工方面的工作

The Application of ANSYS Finite Element Software on Force Analysis for an Ancient Architecture

CHENLifeng

(FUJIAN FUYONG ENGINEERING TECHNOLOGY CO.,LTD,Fuzhou 350012)

It’s difficult to analysis the stress distribution in the ancient architecture because of it’s complex structure and special materials, the analysis on the stress distribution of an ancient architecture is carried out in this paper for your reference.

Finite element; Ancient architecture; Stress distribution

陳李鋒(1984.10-)，工程師。

E-mail:154157152@qq.com

2016-01-04

TU311

B

1004-6135(2016)03-0057-03