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        基于BIM建模的壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及快速有限元分析

        2019-11-28 05:11:54張道法鞏緒威
        人民珠江 2019年11期
        關(guān)鍵詞:有限元結(jié)構(gòu)模型

        張道法,鞏緒威

        (上??睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海 200434)

        數(shù)值計(jì)算輔助設(shè)計(jì)已成為水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中的重要環(huán)節(jié),對(duì)于壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言,通常需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),對(duì)不同方案進(jìn)行對(duì)比,選擇一個(gè)最佳設(shè)計(jì)方案。壩體結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析時(shí)需要進(jìn)行大量結(jié)構(gòu)計(jì)算,其中最主要內(nèi)容之一就是有限元分析。水工結(jié)構(gòu)通常形態(tài)各異、體形復(fù)雜,難以采用有限個(gè)參數(shù)表征其形狀信息,即難以采用參數(shù)化建模的方式進(jìn)行快速有限元分析[1]。不同方案進(jìn)行比選時(shí),計(jì)算工況眾多,模型形狀多樣、無規(guī)律,有限元數(shù)值模型建立過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力,數(shù)值分析效率低下。在生成算稿時(shí)又需要將大量計(jì)算云圖整理成計(jì)算報(bào)告,工作量巨大。如何快速高效地進(jìn)行有限元數(shù)值計(jì)算成為一個(gè)現(xiàn)實(shí)問題,郭瑞[2]、于彥偉[3]、蔣繪靜[4]、王文進(jìn)[5]等人對(duì)重力壩參數(shù)化設(shè)計(jì)、體形優(yōu)化及參數(shù)化有限元的實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了大量研究;盧羽平[6]、孫斌[7]對(duì)水閘結(jié)構(gòu)的參數(shù)化表征方法進(jìn)行了系統(tǒng)分析,并采用參數(shù)化方式快速實(shí)現(xiàn)水閘的結(jié)構(gòu)建模及有限元分析;陳艷[8]、伍鶴皋[9]實(shí)現(xiàn)了水電站鋼岔管等結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計(jì),加快了岔管設(shè)計(jì)效率;鐘登[10]深入研究了水電站地下廠房三維參數(shù)化方法;李松輝[11]對(duì)水工結(jié)構(gòu)采用APDL和遺傳算法優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了初步分析。

        以上研究主要是采用參數(shù)化設(shè)計(jì)方式來加快設(shè)計(jì)或計(jì)算效率,對(duì)于結(jié)構(gòu)規(guī)則構(gòu)件相對(duì)易于實(shí)現(xiàn),而對(duì)于復(fù)雜水工結(jié)構(gòu)的快速有限元分析的研究相對(duì)較少。隨著BIM技術(shù)在水利工程領(lǐng)域的快速應(yīng)用,BIM三維模型的創(chuàng)建過程日趨方便[12]。從挖掘BIM模型應(yīng)用潛力的角度出發(fā),本文在研究三維BIM模型與有限元數(shù)值計(jì)算耦合應(yīng)用時(shí),總結(jié)了一套基于BIM模型和ABAQUS計(jì)算平臺(tái)快速進(jìn)行有限元分析的一般流程,實(shí)現(xiàn)了BIM模型與有限元計(jì)算之間的信息共享,有效提升了數(shù)值模型創(chuàng)建、數(shù)值分析及計(jì)算報(bào)告整理的工作效率。

        1 快速有限元分析流程

        a) 采用BIM軟件創(chuàng)建三維實(shí)體模型,導(dǎo)入ABAQUS軟件創(chuàng)建三維數(shù)值模型。利用BIM軟件創(chuàng)建三維模型是十分方便的,其建模效率比傳統(tǒng)有限元軟件建模高出數(shù)倍。本文采用Microstation快速建立三維幾何模型,并將其存儲(chǔ)為sat中間格式,導(dǎo)入ABAQUS軟件中進(jìn)行數(shù)值模型的轉(zhuǎn)換[13]。劃分有限元網(wǎng)格是建立有限元數(shù)值模型、進(jìn)行有限元計(jì)算工作量最大的部分,而水工結(jié)構(gòu)常常由于體型各異、形態(tài)復(fù)雜很難使用參數(shù)化有限元方式進(jìn)行處理,目前還是以手工劃分網(wǎng)格單元為主,費(fèi)時(shí)費(fèi)力。本文基于這個(gè)問題,采用10節(jié)點(diǎn)二次單元代替?zhèn)鹘y(tǒng)8節(jié)點(diǎn)單元進(jìn)行網(wǎng)格剖分處理,因10節(jié)點(diǎn)四面體二次單元網(wǎng)格劃分可采用自由剖分方法,無需大量切割實(shí)體,對(duì)實(shí)體形狀要求低,單元生成速度快。BIM模型僅需稍加處理,添加地基結(jié)構(gòu)即可快速剖分網(wǎng)格,生成有限元模型。這種方式能夠大量節(jié)省網(wǎng)格剖分時(shí)間,尤其在多方案比選時(shí),具有良好效果。當(dāng)然,也應(yīng)該看出采用四面體二次單元會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)格畸形概率增大、單元數(shù)量增多、計(jì)算時(shí)間加長(zhǎng)的現(xiàn)象[14]。但通過合理設(shè)置網(wǎng)格密度,網(wǎng)格單元盡量分區(qū)設(shè)置,在結(jié)構(gòu)復(fù)雜區(qū)域單元尺寸設(shè)置相對(duì)小一些,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單區(qū)域單元尺寸設(shè)置相對(duì)大一些,遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)地基單元尺寸可由小尺寸逐漸過渡到較大尺寸。同時(shí)應(yīng)適當(dāng)修改BIM模型,如結(jié)構(gòu)細(xì)小尖角等易引起應(yīng)力集中部位可作適當(dāng)簡(jiǎn)化處理,網(wǎng)格畸形問題可以較好地解決,而現(xiàn)階段隨著計(jì)算機(jī)性能的不斷提高,計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)的問題也越來越不是限制性問題。

        b) 采用inp文件、荷載子程序for文件及py命令流快速進(jìn)行邊界條件施加、截圖及生成圖表等后處理操作。網(wǎng)格剖分后,需要施加荷載及邊界條件,水工結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算時(shí),此設(shè)置過程基本一致。而針對(duì)不規(guī)則分布的揚(yáng)壓力、土壓力等特殊荷載設(shè)置過程則較為復(fù)雜,公式難以直接在界面中施加在結(jié)點(diǎn)或單元上,且各工況難以重復(fù)利用。采用ABAQUS命令流與荷載子程序能夠較好地解決公式編寫困難、荷載施加繁瑣等問題,對(duì)于不同工程僅需要簡(jiǎn)單復(fù)制代碼并修改即可。材料參數(shù)、位移邊界條件、初始條件等方便修改的參數(shù)在inp文件中設(shè)置,復(fù)雜荷載建議在荷載子程序中設(shè)置,荷載子程序在設(shè)置復(fù)雜荷載時(shí)具有較大的優(yōu)勢(shì),公式在程序中的編寫與實(shí)際公式基本一致,采用參數(shù)化編制的公式針對(duì)不同工況僅需要修改參數(shù)值即可,能夠顯著提高施加復(fù)雜荷載的效率。ABAQUS一般荷載施加程序接口如下[15]。

        SUBROUTINE LOAD(F,KSTEP,KINC,TIME,NOEL,NPT,LAYER, &

        KSPT,COORDS, JLTYP,SNAME)

        INCLUDE 'ABA_PARAM.INC'

        DIMENSION TIME(2), COORDS(3)

        CHARACTER*80 SNAME

        REAL X,Y,Z

        X=COORDS(1)

        Y=COORDS(2)

        Z=COORDS(3)

        ! 編寫荷載公式

        RETURN

        END

        針對(duì)有限元后處理復(fù)雜繁瑣等問題,本文采用腳本批量處理模式,錄制一個(gè)工況下的計(jì)算云圖及報(bào)表的截取保存過程,生成批量化py腳本文件,其他工況直接載入該腳本文件,可迅速生成命名有規(guī)律的云圖及圖表,操作過程詳見參考文獻(xiàn)[16]。

        c) 利用宏語言將計(jì)算云圖批量導(dǎo)入報(bào)告并批量進(jìn)行格式調(diào)整。有限元計(jì)算完畢后會(huì)產(chǎn)生大量的計(jì)算云圖,手工將這些圖片插入word報(bào)告中需要耗費(fèi)大量的時(shí)間精力,而且操作過程簡(jiǎn)單重復(fù)、枯燥乏味、容易出錯(cuò)。利用宏可以方便地將計(jì)算云圖及報(bào)表批量導(dǎo)入word計(jì)算報(bào)告中,且能對(duì)導(dǎo)入的圖片自動(dòng)進(jìn)行居中對(duì)齊、大小調(diào)整等格式化處理,操作簡(jiǎn)單、方便、高效。主要操作代碼如下。

        Sub ImportPicturesInBatch()

        FilePath = “D:)〗ProgramData” ‘照片路徑

        PicNum = 2′每個(gè)工況圖片張數(shù)

        CaseNum = 7′工況數(shù)量

        StartIndex=

        ActiveDocument.InlineShapes.Count + 1

        For kk = 1 To PicNum ′導(dǎo)入圖片

        For cc = 1 To CaseNum

        Selection.InlineShapes.AddPictureFilePath& cc &"_"& kk &".png"

        Selection.TypeParagraph

        Selection.TypeParagraph

        Selection.ParagraphFormat.Alignment=

        wdAlignParagraphCenter

        Next cc

        Next kk

        EndIndex=

        ActiveDocument.InlineShapes.Count

        For i = StartIndex To EndIndex ′設(shè)置圖片大小及格式

        With ActiveDocument.InlineShapes(i)

        .LockAspectRatio = msoTrue ′鎖定圖片縱橫比

        .Width = 250

        End With

        ActiveDocument.InlineShapes(i).Select

        Selection.ParagraphFormat.Alignment=

        wdAlignParagraphCenter

        Next i

        End Sub

        2 工程案例

        2.1 工程概況

        國(guó)外某水電站位于嚴(yán)寒地區(qū),采用河床式布置,廠房與壩體共同擋水,分為15個(gè)壩段,總長(zhǎng)度為291.25 m,從左岸向右岸依次為:左岸連接壩段(1—3號(hào))、左岸扶壁擋墻砂礫石混合壩段(4—9號(hào))、安裝間上游擋水重力壩壩段(10號(hào))、廠房壩段(11號(hào))、泄洪深孔壩段(12號(hào))、溢流表孔壩段(13號(hào))、右岸重力壩段(14—15號(hào))。左岸扶壁擋墻砂礫石混合壩段最大壩高30.50 m,壩頂寬度4.50 m。扶壁式擋墻底板厚度2.00~3.00 m,墻身面板厚度2.50 m,扶壁厚1.00~2.00 m,扶壁中心距5.00~7.00 m。擋墻墻身上、下游側(cè)采用卵礫石回填,上游側(cè)為順岸坡向回填,回填高程571.00~546.27 m,坡比為1.0∶4.5;下游側(cè)回填頂高程568.00 m,垂直壩軸線方向坡比1∶2,護(hù)坡采用干砌塊石,厚度400 mm。

        本文壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為左岸9號(hào)扶壁擋墻壩段,扶壁擋墻底板順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)24.40 m,垂直水流方向?qū)?8.00 m,擋墻頂高程為571.00 m,建基面高程為540.50~543.00 m,擋墻頂寬4.50 m。壩體墻身及底板采用C30W6F200混凝土,扶壁采用C25W4F200混凝土。右側(cè)岸扶壁與中間扶壁之間設(shè)置橫向支撐擋墻,由此形成的中間框格內(nèi)回填砂礫石,梁扶壁頂設(shè)置樓梯通向壩頂,右側(cè)扶壁及支撐擋墻下游坡比1.0∶0.4,以便與10號(hào)壩段平順連接,外形協(xié)調(diào)美觀。中間扶壁坡比1∶2,下游另設(shè)擋墻以便側(cè)向支擋壩體填料。左側(cè)扶壁坡比1.000∶0.735,9號(hào)壩段結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜,其典型縱斷面見圖1。

        2.2 壩體比選方案

        對(duì)9號(hào)壩段右岸扶壁與中間扶壁之間的橫向支撐進(jìn)行優(yōu)化比選設(shè)計(jì)??紤]右岸扶壁與10號(hào)重力壩段銜接的功能需要,壩后回填料僅填至中間扶壁處,中間扶壁一側(cè)擋土,一側(cè)臨空,由此填料對(duì)中間扶壁產(chǎn)生了較大的側(cè)向土壓力,鑒于中間扶壁結(jié)構(gòu)的安全性,需要在中間扶壁與右岸扶壁之間設(shè)置橫向支撐, 共擬定2種支撐方案進(jìn)行比選。方案一為小擋墻支撐方案,小擋墻頂高程為556.00 m,頂部寬0.8 m,以1.0∶0.4坡與壩底板銜接,橫斷面見圖2。方案二為全斷面支撐墻方案,支撐墻厚度為1 m,形狀與右岸扶壁一致,以便與10號(hào)安裝間重力壩段銜接,橫斷面見圖3。由圖2—3可知,2個(gè)方案形狀差異較大,難以采用參數(shù)化方式提高效率,優(yōu)化比選時(shí)建模、計(jì)算、后處理等過程十分繁瑣。

        圖1 9號(hào)壩段典型縱斷面(mm)

        圖3 方案二全斷面支撐墻方案(mm)

        2.3 計(jì)算條件

        采用上述建立的有限元快速計(jì)算流程,快速對(duì)2個(gè)支撐方案建立了三維模型,進(jìn)行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格剖分、荷載及邊界條件施加及有限元分析,壩體結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型見圖4。

        計(jì)算時(shí)以正常蓄水工況為例進(jìn)行分析,正常蓄水位工況下上游水位為567.50 m,下游無水,壩體及地基材料均采用線彈性本構(gòu),采用的材料參數(shù)見表1。

        因壩后回填料僅在中間扶壁與左岸扶壁間設(shè)置,即中間扶壁右岸側(cè)為臨空側(cè),左岸側(cè)為臨土側(cè),中間扶壁承受較大的不均衡土壓力。

        a)方案一

        b)方案二

        表1 計(jì)算參數(shù)

        扶壁切向傾斜面采用庫(kù)倫土壓力理論,作用在某一點(diǎn)處的土壓力為:

        pA=γhKA

        (1)

        式中pA——某一點(diǎn)處的土壓力強(qiáng)度,kN/m;γ——土的重度,對(duì)于地下水位以下部分取浮容重γ';h——填土高;KA——庫(kù)倫主動(dòng)土壓力系數(shù),計(jì)算過程見下式。

        KA=

        (2)

        式中φ——土的內(nèi)摩擦角;θ——墻背與豎直向夾角;δ——填土與墻背摩擦角,取δ=1/3φ;β——填土表面坡角。

        其余直立面采用靜止土壓力計(jì)算,靜止土壓力系數(shù)為:

        K0=1-sinφ

        (3)

        由以上公式可以看出,土壓力公式較為復(fù)雜,土壓力作用面較多且傾斜面與直立面采用不同土壓力計(jì)算方法,界面施加過程十分復(fù)雜。本文采用荷載子程序方式進(jìn)行施加,根據(jù)上述土壓力計(jì)算公式編寫荷載子程序,可以方便地為各土壓力作用面施加土壓力,方便高效,且不同工況僅需修改控制參數(shù),代碼可重復(fù)使用,效率較高。

        2.4 計(jì)算結(jié)果

        以正常蓄水位工況為例,2個(gè)方案的計(jì)算結(jié)果見圖5—7。方案一的最大拉應(yīng)力為3.426 MPa,方案二的最大拉應(yīng)力為3.298 MPa,均發(fā)生在中間扶壁左岸側(cè)下部位置,兩方案的最大拉應(yīng)力已超出混凝土抗拉強(qiáng)度,需要配置抗拉鋼筋。方案一的最大壓應(yīng)力-10.230 MPa,方案二的最大壓應(yīng)力為-8.894 MPa,均發(fā)生在中間扶壁右岸側(cè)下部位置,未超過混凝土抗壓強(qiáng)度。方案一的最大水平側(cè)向位移為7.795 mm,方案二的最大水平側(cè)向位移為7.668 mm,均發(fā)生在中間扶壁頂部,指向臨空側(cè)。2種支撐形式的方案受力與變形規(guī)律基本一致,但全斷面支撐墻方案的最大拉應(yīng)力比方案一小0.128 MPa,最大壓應(yīng)力小1.336 MPa,最大水平側(cè)向位移小0.127 mm。因而,方案二相較方案一在結(jié)構(gòu)安全上更優(yōu),全斷面支撐墻方案能夠給中間扶壁提供更好的支撐作用,兩方案在工程量基本相當(dāng)?shù)那闆r下,顯然方案二的受力與變形更小一些。同時(shí),內(nèi)部隔腔內(nèi)回填砂礫石對(duì)上游擋水面墻有很好的保溫作用,因此設(shè)計(jì)時(shí)最終選擇了方案二。

        a)方案一

        b)方案二

        圖5最大拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果對(duì)比

        a)方案一

        b)方案二

        圖6最大壓應(yīng)力計(jì)算結(jié)果對(duì)比

        a)方案一

        b)方案二

        圖7最大水平側(cè)向位移計(jì)算結(jié)果對(duì)比

        3 結(jié)論

        a) 本文在研究BIM模型與有限元計(jì)算耦合應(yīng)用的基礎(chǔ)上,總結(jié)了快速進(jìn)行有限元分析的一般流程,使用BIM軟件建立三維模型,利用ABAQUS軟件提供的計(jì)算及批量化處理功能進(jìn)行有限元分析,采用自編程序進(jìn)行計(jì)算報(bào)告整理,該有限元分析流程可快速進(jìn)行數(shù)值模型建立、有限元分析及計(jì)算報(bào)告生成,有效提升了復(fù)雜結(jié)構(gòu)數(shù)值分析的效率。

        b) 將建立的快速有限元分析方法應(yīng)用于某壩體結(jié)構(gòu)支撐擋墻優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中,針對(duì)該壩體結(jié)構(gòu)的多種比選方案,使用本文的有限元快速分析流程準(zhǔn)確建立了多種方案的數(shù)值計(jì)算模型,快速進(jìn)行壩體復(fù)雜荷載的施加,并進(jìn)行多方案的比選分析。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明,本文的快速有限元分析法可顯著提升不規(guī)則壩體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的效率。

        c) 對(duì)壩體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分析表明,設(shè)計(jì)中采用的全斷面支撐墻方案相比小擋墻支撐方案能夠?qū)⒅虚g扶壁的最大拉應(yīng)力降低0.128 MPa,最大壓應(yīng)力降低1.336 MPa,最大側(cè)向位移降低0.127 mm,全斷面支撐墻方案中間的受力與變形相對(duì)更小一些,能夠給予中間扶壁更好的支撐作用。因此,設(shè)計(jì)選擇了全斷面支撐墻方案。分析結(jié)果論證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性,為壩體設(shè)計(jì)方案的選擇提供了依據(jù)。

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