預制混凝土模板內力分析的有限單元法計算

敬 晨

(黑龍江省三江工程建設管理局，哈爾濱150081)

1 ANSYS 軟件的功能

ANSYS 包括以下主要功能模塊:

1)結構分析，包括靜力分析、模態分析、諧響應分析、瞬態動力學分析、特征屈曲分析、專項分析等類型。

2)熱分析，包括相變、內熱源、熱傳導、熱對流、熱輻射等類型。

3)電磁分析，包括靜磁場分析、交變磁場分析、瞬態磁場分析、電場分析、高頻電磁場分析等類型。

4)流體分析，包括耦合流體動力、聲學分析、容器內流體分析、流體動力學耦合分析等類型。

5)耦合場分析，主要考慮2 個或多個物理場之間的相互關系。

2 ANSYS 分析過程

1)選擇單元類型。單元選擇是否合適，對于有限元模型的計算結果有較大影響，同一個模型可以運用不同的單元進行求解。

2)定義材料參數。單位類型不一致，則參數有所不同。

3)建立幾何模型。ANSYS 軟件在建模時可以選擇將CAD 文件轉化成其他形式的文件直接導入，也可以手動在軟件中直接建模。需要注意的是，ANSYS 軟件比CAD 的精度高，直接導入的文件可能在劃分網格時出現錯誤。

4)劃分網格。劃分網格時可以根據模型的具體尺寸大小，決定網格的稀疏程度。通常網格越密集，計算結果越精確，相應的計算時間越長。

5)定義邊界條件。計算結果是否符合實際情況，與所定義的邊界條件密不可分。

6)加載求解。

7)后處理。后處理中可以提取各個單元的數據分析結果，也可以提取如軸力圖、剪力圖及彎矩圖等圖片。

3 計算基本假定

1)材料的物理力學參數按設計標準值選取。

2)混凝土、鋼結構材料均假設為各向同性線彈性材料［1］。

4 計算建模

計算模型選取某工程預制混凝土模板安裝時的受力情況進行分析，采用梁單元beam188 對預制混凝土模板進行建模，截面選擇倒T 型截面，輸入材料參數，倒T 型截面的尺寸，幾何模型為120°圓弧拱結構，根據設計圖紙的實際尺寸建模并劃分網格，共劃分為90 個單元，從左至右單元編號為1－90 號。兩側簡化為固定端，在X、Y、Z 三個方向施加約束。

5 計算工況及施加荷載

5.1 計算工況

預制混凝土模板安裝就位，移動樣架移走，模板承受自重荷載，同時承受人員與機械設備的均布荷載。

5.2 施加荷載

1)預制混凝土模板自重標準值:模板為120°圓弧，單位長度水平投影上各部分自重不同。將預制混凝土模板分為等長度的數段(40 段)，取用各段內的平均值作為分段自重值。混凝土及鋼筋重量，兩者綜合后按γ=25 kN/m3，分項系數取1.2。

2)施工人員和機械設備的重力標準值:取均布荷載2.5 kN/m2，分項系數取1.4。

6 計算結果

在ANSYS 軟件中經過加載、求解，最終提取出1－90 號每個單元的軸力、剪力及彎矩值。結構為對稱結構，僅列出部分單元的軸力、剪力及彎矩計算值，為清晰直觀反應軸力大小分布情況，提取出整個結構的軸力分布圖。1－45 號單元內力值見表1 及表2。

表1 1－9 號單元軸力、剪力及彎矩值

7 結 論

根據對計算結果的分析，可以得出以下結論:

1)軸力最大值為593.38 kN，最小值為355.04 kN，軸力最大值發生在模板兩端，最小值在模板跨中。

2)剪力最大值為69.64 kN，最小值為－69.64 kN，最大值發生在模板左端，最小值發生在模板右端。

3)彎矩最大值為201.5 kN，最小值為－173.04 kN，最小值發生在跨中，最大值發生模板兩端附近。

表2 10－45 號單元軸力、剪力及彎矩值

［1］王瑁成.有限單元法［M］.北京:清華大學出版社，2007:21－24.