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計研究院，哈爾濱 150080)

大體積混凝土施工，受力情況復雜，進行三維有限元分析計算十分必要。文章結合工程實例，通過有限元計算，對整個結構的受力進行全面的了解，可以檢驗目前施工方案布置的合理性、可靠性，并且通過ANSYSC程序進行有限元計算，為結構配筋、施工詳圖設計提供依據(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°全拱預制混凝土模板、180度全拱預制混凝土模板及120°半拱預制混凝土模板等三種布置，并著重對120°全拱預制混凝土模板方案進行詳細研究。選定了預制混凝土模板、移動樣架及下部安全網(wǎng)的結構型式、對結構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，可以使對整個結構的受力有全面的了解，檢驗目前施工方案布置的合理性、可靠性，并且通過有限元計算，為結構配筋、施工詳圖設計提供依據(jù)。

3 研究內(nèi)容及ANSYS軟件優(yōu)點

在結構整體澆筑完畢后進行計算，主要計算整體結構的第一主應力及第三主應力。第一主應力為主平面上的最大正應力，第三主應力為主平面上的最小正應力，兩種應力均正為拉應力，負為壓應力。按照澆筑左側或者右側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。求解時能提供結構、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果。④二次開發(fā)功能顯著。在使用ANSYS軟件過程中，當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、鋼結構材料均假設為各向同性線彈性材料。

2)材料的物理力學參數(shù)按設計標準值選取。

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1個模型，其中單元最多模型共劃分單元個221646，結點254093個；單元最少模型共劃分單元 66838個，結點87188 個。網(wǎng)格劃分足夠精細，保證了計算結果的可靠性?；炷两Y構的有限元網(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軸為水平左右兩側方向，指向右岸為正(面向下游，右手邊為右側)，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 計算結果

計算第一、第三主應力結果見表1。整個結構第一主應力分布圖見圖1，第三主應力分布圖見圖2。

表1 計算結果

圖1 對應的有限元模型

圖2 第一主應力圖

7 結 論

根據(jù)對計算結果的分析，可以得出以下結論：

1)本文通過對工程實例進行計算，結構第一主應力拉應力為0.51MPa，壓應力為0.52MPa；第三主應力拉應力為0.009Mpa，壓應力為5.15MPa。拉應力及壓應力都比較小，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)應力奇異及應力集中現(xiàn)象，局部應力可能偏大，在配筋設計中需要注意。

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雜，需要通過ANSYS等有限元軟件進行更多更加復雜、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)技術人員應該逐步掌握有限元分析軟件，更好地應用于科研與設計中。

[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

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