趙夢(mèng)巖,李曉辰
(中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司,天津300222)
雁形板三維有限元結(jié)構(gòu)分析
趙夢(mèng)巖,李曉辰
(中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司,天津300222)
通過(guò)MIDAS結(jié)構(gòu)力學(xué)軟件,以MIDAS在某工程中的實(shí)際應(yīng)用,對(duì)廠房雁形板進(jìn)行三維有限元結(jié)構(gòu)分析。該軟件能夠直觀準(zhǔn)確地反映出廠房雁形板在各種工況下的應(yīng)力應(yīng)變情況,為優(yōu)化廠房雁形板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和配筋提供可靠的依據(jù)。
MIDAS;三維有限元;雁形板;結(jié)構(gòu)
某工程廠房雁形板采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),現(xiàn)用MIDAS三維有限元計(jì)算軟件對(duì)雁形板運(yùn)行期和施工期的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行分析。
雁形板混凝土強(qiáng)度等級(jí)C45,預(yù)應(yīng)力鋼絲直徑5mm。鋼絲在雁形板底面梁布置56根,在雁形板兩翼各布置7根,跨度23.25m。
本次計(jì)算C45混凝土容重取25kN/m3,重力加速度g=9.78m/s2,外加永久屋面荷載1.2kN/m2,屋面荷載0.5kN/m2。計(jì)算分為運(yùn)行工況和施工工況,考慮到計(jì)算的重要性,計(jì)算增加了對(duì)軟件自動(dòng)考慮預(yù)應(yīng)力損失和不自動(dòng)考慮預(yù)應(yīng)力損失的兩種計(jì)算工況。
2.1 模型建立
采用MIDAS軟件進(jìn)行計(jì)算。選取單塊雁形板,垂直方向承受自重荷載和外加永久荷載計(jì)算,并建立三維模型,進(jìn)行網(wǎng)格劃分,如圖1。
圖1 雁形板三維模型
2.2 添加約束及荷載
將雁形板與梁接觸部分一端定義為鉸接,另一端定義為滑動(dòng)支座。添加荷載包括雁形板自重、永久荷載及屋面荷載和預(yù)應(yīng)力荷載。
預(yù)應(yīng)力荷載添加方式為將預(yù)應(yīng)力計(jì)算等效為在雁形板左右兩端添加的張拉壓力,所配鋼絲抗拉強(qiáng)度1860MPa,底面梁配置根數(shù)56根,等效鋼筋截面面積1099mm2,長(zhǎng)度28.8m;兩翼各配置7根,等效鋼筋截面面積137.37mm2,長(zhǎng)度6m。張拉控制應(yīng)力取0.7fptk,超張3%,經(jīng)計(jì)算,得出張拉控制應(yīng)力1302N/mm2。
2.3 預(yù)應(yīng)力損失分析
(1)若程序自動(dòng)考慮預(yù)應(yīng)力損失,在雁形板模型中施加預(yù)應(yīng)力時(shí),直接對(duì)預(yù)應(yīng)力筋施加應(yīng)力1302N/mm2。
(2)若程序沒(méi)有自動(dòng)考慮預(yù)應(yīng)力損失,在雁形板模型中施加預(yù)應(yīng)力時(shí),應(yīng)扣除預(yù)應(yīng)力損失,損失按GB50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》計(jì)算,取預(yù)應(yīng)力損失267.6N/mm2。得出預(yù)應(yīng)力筋有效應(yīng)力:
σpc=σcom-σl=1302-267.6=1034.4 N/mm2
以程序不自動(dòng)考慮預(yù)應(yīng)力為例,底部預(yù)應(yīng)力1136kN,在梁的對(duì)稱中心線上,距離大梁端部斷面底面高150mm處位置,方向水平,垂直于雁形板橫斷面,如圖2;兩翼施加預(yù)應(yīng)力142kN,在兩翼區(qū)域的中心點(diǎn)上,方向水平,垂直于雁形板橫斷面,長(zhǎng)度6m,如圖3。
圖2 底部預(yù)應(yīng)力
圖3 兩翼預(yù)應(yīng)力
2.4 計(jì)算工況
將邊界條件(約束)和荷載激活,求解類型定義為線性靜力,分4種工況進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算工況如表1。
表1 計(jì)算工況
通過(guò)各種工況的分析計(jì)算,得出雁形板在各種工況下的計(jì)算結(jié)果。
3.1 雁形板位移
通過(guò)計(jì)算,可得出各種工況下雁形板的位移變形圖。以工況1為例,將所有荷載施加后,雁形板的各部位變形均能反應(yīng)出來(lái)?,F(xiàn)選取具有代表性的雁形板總位移、兩翼變形及梁底變形圖進(jìn)行展示,具體變形情況如圖4。
圖4 總位移
總位移圖中的虛線部分為原始圖形,實(shí)心部分為加荷載之后的位移效果,線上圖的曲線為兩翼端部和底梁的變形值,經(jīng)計(jì)算,最大變形處在梁跨中部分的兩翼位置,變形8.76mm,小于l0/400=60mm的撓度限值。
3.2 雁形板表面應(yīng)力
通過(guò)計(jì)算,得出雁形板在各種工況下的表面應(yīng)力。以工況1為例,將所有荷載施加后,X,Y,Z 3個(gè)方向上的應(yīng)力值均顯示出來(lái),其中拉力為正值,壓力為負(fù)值。具體數(shù)值如圖5。
圖5 應(yīng)力云圖
3.3 計(jì)算結(jié)果
其他工況計(jì)算方法與工況1相同,在此不再累述,現(xiàn)僅將雁形板在不同工況下的上、下表面的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì),如表2~表3。
表2 雁形板上表面應(yīng)力計(jì)算結(jié)果
表3 雁形板下表面應(yīng)力計(jì)算結(jié)果
結(jié)果可知,在混凝土等級(jí)為C45,張拉控制應(yīng)力0.7fptk時(shí),雁形板在X,Y,Z軸方向應(yīng)力大部分為壓應(yīng)力,局部位置有拉應(yīng)力;且壓應(yīng)力均小于混凝土允許抗壓強(qiáng)度21.1MPa,拉應(yīng)力均小于混凝土允許抗拉強(qiáng)度1.8MPa,滿足抗裂要求。
通過(guò)運(yùn)用MIDAS三維有限元進(jìn)行廠房雁形板的結(jié)構(gòu)計(jì)算,分析了雁形板運(yùn)行期和施工期的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài),進(jìn)一步增強(qiáng)廠房雁形板結(jié)構(gòu)計(jì)算的可視性和安全度,此種廠房雁形板三維有限元結(jié)構(gòu)分析法值得進(jìn)一步推廣應(yīng)用。
[1]GB50009—2012,建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].
[2]SL191—2008,水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].
[3]SL266—2014,水電站廠房設(shè)計(jì)規(guī)范[S].
[4]張麗.水電站[M].鄭州:黃河水利出版社,2009.
[5]中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司.雁形板三維有限元結(jié)構(gòu)分析[R].2015.
(責(zé)任編輯:姜彤宇)
3D finite element structural analysis of bird-shape plate
ZHAO Meng-yan,LI Xiao-chen
(Beifang Investigation,Design&Research CO.LTD,Tianjin 300222,China)
This paper takes the application of MIDAS in a certain project as an example,analysis of 3D finite element structure of bird-shape plate.The stress-strain of bird-shape plate with different condition is reflected accurately by the software,it provides a reference for the optimization of bird-shape plate structure design and reinforcement.
MIDAS;3D finite element;bird-shape plate;structure
TV222
:B
:1672-9900(2017)02-0080-03
2017-03-07
趙夢(mèng)巖(1989-),男(漢族),天津人,助理工程師,主要從事水工設(shè)計(jì)工作,(Tel)13920649001。