基于ANSYS 有限元分析軟件的混凝土結構位移分析

敬 晨

(黑龍江省三江工程建設管理局，哈爾濱150081)

1 ANSYS 原理

ANSYS 原理是有限單元法思想，即把計算域離散剖分為有限個互不重疊且相互連接的單元，在每個單元內選擇基函數，用單元基函數的線形組合來逼近單元中的真解，整個計算域上總體的基函數可以看作由每個單元基函數組成的，則整個計算域內的解可以看作是由所有單元上的近似解構成［1］。

雖然有限單元法在力學模型上是近似解，但是在數學求解上非常嚴格。與傳統方法相比，這種方法計算能力非常強大，能夠應用于很多大中型水利工程，故本文應用ANSYS 軟件，以有限單元法的思想解決水利工程中的實際問題。

2 計算基本假定

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按設計標準值選?。?］。

3 計算基本資料

3.1 工程概況

某水電站升船機渡槽段壩后安裝頂板為拱形，采用預制混凝土模板方案，預制混凝土模板為120°全拱，下部設牛腿。封拱時需要逐層澆筑混凝土，受力情況非常復雜。本文主要運用有限單元法思想，結合ANSYS 軟件分析預制混凝土模板放入，左右同時澆筑一層混凝土時，整個結構的位移。澆筑混凝土時，模型需要承受自身的重力、新澆筑混凝土的重力、鋼筋的重力以及二者對預制混凝土模板的側壓力。

3.2 材料參數

3.2.1 混凝土

①混凝土標號:C30;②重度:25kN/m3;③泊松比:1/6;④混凝土軸心抗拉強度設計值:1.43MPa;⑤混凝土軸心抗壓強度設計值:14.3MPa。

彈性模量取值見表1。

3.2.2 基本靜荷載作用

①預制混凝土模板結構自重;②新澆筑混凝土及鋼筋自重;③新澆筑混凝土對模板的側壓力。

3.3 荷載分項系數

進行靜力計算，計算內力、應力時宜采用設計值，即標準值乘以荷載分項系數;計算位移時宜采用標準值。本次計算中荷載分項系數均為1.05。

4 計算模型

計算模型的總體坐標系取X 軸為水平上下游方向，指向下游為正;Y 軸為豎向，向上為正;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。

表1 不同齡期混凝土彈性模量取值

計算模型長度方向約為50 m，寬度方向為20 m。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，其中單單元最少模型共劃分單元66838 個，結點87188 個。網格劃分數量經過分析，足夠精細，保證了計算結果的可靠性。網格繼續加密，導致單元個數增多，但對位移結果影響很小，而計算時間延長?；炷两Y構的有限元網格剖分見圖1。

圖1 混凝土結構網格劃分圖

5 計算結果

網格劃分之后根據邊界條件施加荷載、求解。所提取的位移結果包括:

1)總位移。

2)X 方向位移:X 方向為水平上下游方向，指向下游為正，指向上游為負。

3)Y 方向位移:Y 方向為豎向，向上為正，向下為負。

4)Z 方向位移:Z 方向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)。

經過計算，可以提取出各個單元的總位移、X 方向位移、Y 方向位移以及Z 方向位移，但考慮到單元過多，僅提取出各個位移的最大及最小值。所提取的位移計算數據結果見表2，為了更加清晰、直觀，提取出總位移分布云圖，見圖2。圖中標示出總位移較大處和位移較小處。

表2 位移計算結果

圖2 總位移分布圖

6 結 論

根據對計算結果的分析，可以得出以下結論:

1)經過軟件分析計算，可以得到各個單元的總位移、X 方向位移、Y 方向位移及Z 方向位移。整體結構總位移最大值為2.074 mm，發生在跨中;總位移最小值為0 mm，發生在支座及牛腿附近。

2)由于ANSYS 軟件本身的特點，有限元計算過程中，角緣處容易出現應力奇異及應力集中現象，局部應力可能偏大，在配筋設計中需要注意。

［1］王瑁成.有限單元法［M］.北京:清華大學出版社，2007.

［2］賴永標.ANSYS11.0 土木工程有限元分析典型范例［M］.北京:電子工業出版社，2007.