ANSYS模擬與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)沉降量對(duì)比研究

邵遲，周斌，吳文凱，陳勇

?

ANSYS模擬與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)沉降量對(duì)比研究

邵遲1，周斌1，吳文凱2，陳勇2

（1.湖南工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南株洲 412007；2. 湖南桃花江核電有限公司，湖南益陽(yáng) 413000）

利用有限元對(duì)沉降量進(jìn)行了分析，從位移和應(yīng)力兩個(gè)方面進(jìn)行了論述，通過(guò)傳統(tǒng)載荷試驗(yàn)取得了三個(gè)點(diǎn)的載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制了相應(yīng)的P-S曲線，提出了建立物理-力學(xué)計(jì)算模型得到精確解的方法；進(jìn)行了兩種狀態(tài)下混凝土沉降量研究，并通過(guò)計(jì)算取得了最佳的墊層厚度。研究結(jié)果表明，采用ANSYS模擬的沉降量比傳統(tǒng)試驗(yàn)得到的沉降量小，且相對(duì)誤差限為21%，達(dá)到了混凝土墊層設(shè)計(jì)厚度滿足剛度要求的效果，解決了核電強(qiáng)夯區(qū)永久倉(cāng)庫(kù)能夠存放貨物的問(wèn)題。

載荷試驗(yàn)；有限元；沉降量；模型；研究

根據(jù)國(guó)務(wù)院文件精神，桃花江核電廠工程暫停建設(shè)，但很多大型起重機(jī)、超重型貨物以及大型的電儀設(shè)備遇到惡劣的天氣容易發(fā)生銹蝕，用腳手架和篷布搭建臨時(shí)棚廠需要人員定期養(yǎng)護(hù)，非常耗費(fèi)資金、人力、物力，所以建一個(gè)永久倉(cāng)庫(kù)是必要的。永久倉(cāng)庫(kù)C庫(kù)位于益陽(yáng)桃花江沾溪鎮(zhèn)，場(chǎng)地系低山丘陵區(qū)，倉(cāng)庫(kù)地基已進(jìn)行回填夯實(shí)。土基回彈模量是路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必不可少的設(shè)計(jì)參數(shù)，直接影響路面設(shè)計(jì)的厚度[1]。依據(jù)強(qiáng)夯檢測(cè)報(bào)告[2]，地基承載力特征值滿足150kPa要求。在澆筑倉(cāng)庫(kù)面層后---，湖南桃江核電有限公司要求在設(shè)計(jì)單位提供的倉(cāng)庫(kù)地坪設(shè)計(jì)荷載基礎(chǔ)上，校核永久倉(cāng)庫(kù)地坪的實(shí)際承載能力是否滿足150kPa要求。

為了找到地基承載力在同一土層不同點(diǎn)測(cè)定時(shí)的一般規(guī)律，選用直徑62cm的圓形板作為承壓板。在方形和圓形壓板兩種壓板加載試驗(yàn)下，地表的變形曲線極其相似，復(fù)合地基中，承壓板的面積大小對(duì)地基的沉降量有一定的影響，為反映復(fù)合地基的變形及工作性狀，一般應(yīng)選用與單樁處理面積相近的大面積壓板進(jìn)行載荷試驗(yàn)[3]。復(fù)合地基承載力特征值隨著墊層厚度的增加，先增大，后減小?？梢?jiàn)墊層厚度存在最優(yōu)值，其對(duì)復(fù)合地基承載力特征值的影響也是很明顯的[4]。

ANSYS按功能作用可分為一個(gè)前處理模塊、一個(gè)分析計(jì)算模塊、兩個(gè)后處理模塊和幾個(gè)輔助處理模塊等。前處理模塊用于生成有限元模型；分析計(jì)算模塊用于施加載荷及邊界條件，完成求解計(jì)算；后處理模塊用于獲得求解結(jié)果，以便對(duì)模型作出評(píng)估[5]。但對(duì)于ANSYS模擬與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)沉降量對(duì)比研究，前人研究較少，有待進(jìn)一步研究。因此，先用ANSYS分析出最大沉降量，再通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比研究驗(yàn)證其合理性是很有必要的。

表1 模擬模型基本條件

參數(shù)模擬圓柱體面層直徑（cm）模擬圓柱體面層厚度（cm）模擬圓柱體面層材料模擬圓柱體面層約束模擬圓柱體均布荷載方向圓形面均布荷載大?。╧Pa） 模型162（擴(kuò)散后）20C30混凝土 無(wú)約束輻射作用于頂部向下沿負(fù)y方向420

1 步驟

選擇三個(gè)具有代表性的測(cè)試點(diǎn)TL-01、TL-02、TL-03，運(yùn)用墊層擴(kuò)散理論進(jìn)行載荷試驗(yàn)，目的非常明確。當(dāng)上部結(jié)構(gòu)有荷載作用時(shí)，地基土和地坪通過(guò)縱向聯(lián)系共同分擔(dān)，墊層將荷載傳遞給土體，避免應(yīng)力集中。一般來(lái)說(shuō)，墊層厚度越厚，應(yīng)力擴(kuò)散越明顯，地坪承載力特征值也就越大。

選用實(shí)體SOLID92、COMBIN14；根據(jù)坐標(biāo)生成節(jié)點(diǎn)，采用直接法構(gòu)建有限元模型，模擬圓柱體面層直徑162cm，模擬圓柱體面層厚度20cm，模擬圓柱體面層材料為C30混凝土，模擬圓柱體面層無(wú)約束，模擬圓柱體均布荷載方向?yàn)檩椛渥饔糜陧敳肯蛳卵刎?fù)y方向，圓形面均布荷載大小為420kPa（表1）。

具體步驟為：選擇單元類型→實(shí)常數(shù)→成有限元模型→出結(jié)果設(shè)置→網(wǎng)格劃分→施加位移約束→施加均布荷載→求解→定義均布荷載處變量→節(jié)點(diǎn)位移、滿載UY變形繪圖顯示→Von Mises應(yīng)力、滿載UX應(yīng)力繪圖顯示→規(guī)律列表顯示。

2 有限元模型的建立

2.1 單元選取

采用ANSYS軟件的APDL參數(shù)化有限元技術(shù)分析，對(duì)墊層進(jìn)行參數(shù)化建模，結(jié)果見(jiàn)圖1~圖2。

圖1 節(jié)點(diǎn)位移

圖2 滿載UY變形

2.2 材料屬性

墊層材料為C30混凝土，彈性模量為30GPa，泊松比為0.3，軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值20.1MPa，軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值14.3MPa。采用ANSYS中的SOLID92實(shí)體單元通過(guò)10節(jié)點(diǎn)來(lái)定義網(wǎng)格劃分，分析其剛度特性、應(yīng)力狀態(tài)，以提高模型的計(jì)算精度。圓形承載板直徑62cm，根據(jù)墊層擴(kuò)散理論，擴(kuò)散半徑81cm。

表2 有限元位移應(yīng)力數(shù)值表

2.3 結(jié)果與分析

通過(guò)ANSYS的Preprocessor-Solution-General Postproc三個(gè)階段的批處理，可以簡(jiǎn)單直觀的得到節(jié)點(diǎn)位移云圖、滿載UY變形云圖。

結(jié)合APDL參數(shù)化有限元分析，模型滿足剛度要求，代數(shù)精度達(dá)到小數(shù)點(diǎn)后三位，因此在對(duì)試驗(yàn)裝置初步模擬后，利用有限元分析軟件模擬數(shù)值分析進(jìn)一步求得精確解是很有必要的，下面依據(jù)傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)計(jì)算節(jié)點(diǎn)沉降量變化。

在模型的均布荷載作用位置，存在最大節(jié)點(diǎn)豎向位移0.529mm，圓柱體最邊緣處存在最小豎向位移0.0588mm；UY水平位移在荷載作用中心存在最大水平位移0.0871mm，圓柱體最邊緣處存在最小水平位移-0.0855mm，水平位移差值0.0016mm。

表3 設(shè)計(jì)材料厚度及控制參數(shù)

Mises等效應(yīng)力從邊緣到荷載作用中部變化范圍為397.803kPa～3 653kPa，UX水平方向應(yīng)力從邊緣到荷載作用中部變化范圍為-1 833kPa（受拉）～611.231kPa（受壓）。

3 傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1）幾何尺寸（如圖3）

圖3 載荷試驗(yàn)點(diǎn)位置示意圖

2）試驗(yàn)最大加載量計(jì)算

強(qiáng)夯地基的承載力特征值為P=150kPa，根據(jù)墊層擴(kuò)散（如圖4）理論，承載面積取1m2，墊層擴(kuò)散角取20°?？紤]2倍以上的安全系數(shù)，本次試驗(yàn)的最大加載量取420kPa。

圖4 應(yīng)力擴(kuò)散計(jì)算簡(jiǎn)圖

3）試驗(yàn)方案

根據(jù)強(qiáng)夯檢測(cè)報(bào)告，結(jié)合倉(cāng)庫(kù)地坪現(xiàn)狀的實(shí)際，在比較容易實(shí)現(xiàn)設(shè)備操作的吊車(chē)一跨內(nèi)，選取地基承載力特征值較低的點(diǎn)，以使其具有代表性。具體選取的檢驗(yàn)點(diǎn)位置：第一點(diǎn)（TL-01）在10軸與J軸之間，第二點(diǎn)（TL-02）在21軸與J軸之間，第三點(diǎn)（TL-03）在29軸與J軸之間。

表4 載荷試驗(yàn)成果匯總表

采用堆載反力平臺(tái)提供反力，手動(dòng)加載、卸載和記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，承載板直徑62cm。試驗(yàn)時(shí)每級(jí)加荷30kPa，分14級(jí)加載，終止荷載為420kPa。沉降穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為連續(xù)2h，沉降量每小時(shí)不超過(guò)0.1mm或連續(xù)1h沉降量每30min不超過(guò)0.05mm。

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)點(diǎn)的最大沉降量見(jiàn)表4，P-S曲線見(jiàn)圖5～圖7。

圖5 TL-01變形曲線

圖6 TL-02變形曲線

圖7 TL-03變形曲線

載荷試驗(yàn)結(jié)果顯示：TL-01～TL-03的載荷試驗(yàn)p-s曲線較平緩，TL-01最大沉降量為0.15mm，TL-02最大沉降量為0.58mm，TL-03最大沉降量為0.52mm，既無(wú)明顯的比例界限荷載，也無(wú)明顯的極限荷載，取最大加載量（420kPa）的一半作為永久倉(cāng)庫(kù)C庫(kù)地坪承載力特征值，即。

4 混凝土墊層沉降量及厚度的計(jì)算

永久倉(cāng)庫(kù)地坪的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，載荷試驗(yàn)的物理模型，設(shè)千斤頂和載荷板的剛度為無(wú)窮大，力學(xué)模型如圖8。

混凝土地坪面層的強(qiáng)度等級(jí)為C30，厚度30cm；地坪墊層的強(qiáng)度級(jí)為C30，厚度為20cm，粘性土。荷載組合方式采用基本組合[5]，可變荷載按30kpa逐級(jí)加載，變化范圍為30~420kpa。

集中力作用在圓形承載板上，取=1cm進(jìn)行計(jì)算，則集中荷載可以等效為長(zhǎng)為2R寬為的矩形窄條，并考慮墊層的應(yīng)力擴(kuò)散效應(yīng)，擴(kuò)散半徑為r=30+20=50cm。

承載板直徑62mm，厚度為40mm，容重為78.5kN/m3，所以當(dāng)加載值達(dá)到最大時(shí)，出現(xiàn)最不利荷載位置，即荷載板邊緣。

圖8 力學(xué)模型

表5 B、C兩點(diǎn)沉降量（計(jì)算值）

5 結(jié)論

1）建立基于ANSYS的有限元模型得到的均布荷載作用位置，存在最大節(jié)點(diǎn)豎向位移0.529mm；在傳統(tǒng)試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果中，存在最大節(jié)點(diǎn)豎向位移0.67mm，數(shù)據(jù)精度均達(dá)到四階，模擬值小于實(shí)驗(yàn)值，相對(duì)誤差限為。

2） UY水平位移在荷載作用中心存在最大水平位移0.0871mm，圓柱體最邊緣處存在最小水平位移-0.0855mm，水平位移差值，對(duì)豎向位移的影響可以忽略。

4） 載荷試驗(yàn)中TL-01、TL-02、TL-03三點(diǎn)的沉降量分別為0.15mm、0.58mm、0.52mm，P-S曲線既無(wú)明顯的比例界限荷載，也無(wú)明顯的極限荷載，混凝土地坪也沒(méi)出現(xiàn)裂縫，表明采用墊層擴(kuò)散理論計(jì)算的墊層沉降量是正確可靠的，永久倉(cāng)庫(kù)地坪沉降量、強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn):

[1] 胡順洋，劉海，嚴(yán)秀俊.強(qiáng)夯法處理吹填砂土基的試驗(yàn)研究[J].鐵道建筑，2012，（03）：83.

[2] 湖南桃花江核電站強(qiáng)夯地基檢測(cè)報(bào)告[R].

[3] 張珊菊.地基變形特性研究及其在平板載荷試驗(yàn)中的應(yīng)用[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2004.

[4] 史三元，楊硯宗，王浩然.墊層對(duì)載荷試驗(yàn)成果影響的試驗(yàn)分析[J].煤炭工程，2008，（07）：88.

[5] 王金龍.ANSYS12.0土木工程應(yīng)用實(shí)例解析[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

Correlation of ANSYS Simulation and Traditional Experimental Settlement

SHAO Chi1ZHOU Bin1WU Wen-kai2CHEN Yong2

（1-Institute of civil engineering & architecture, Hunan University of Technology, Zhuzhou, Hunan 412007; 2-Hunan Taohuajiang Nuclear Power Co., Ltd., Yiyang, Hunan 413000）

The present paper has a discussion on settlement by finite element from displacement and stress and puts forward a physics-mechanics calculation model based on P-S curve. Concrete settlement in two states is studied and the best cushion thickness is calculated. The results indicate the settlement simulated by ANSYS is less than that by traditional test with the relative error limit of 21%, obtaining the result of concrete thickness of cushion design satisfying the requirement of stiffness.

load test; finite element settlement; model; research

TU470

A

1006-0995（2016）03-0457-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2016.03.026

2015-11-12

邵遲（1992-），男，湖北武穴人，碩士研究生，主要從事巖土工程方向研究