ANSYS有限元軟件在某古建筑受力分析中的應用

陳李鋒

(福建福永工程技術有限公司　福建福州　350012)

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ANSYS有限元軟件在某古建筑受力分析中的應用

陳李鋒

(福建福永工程技術有限公司福建福州350012)

古建筑材料特殊、結構復雜，在工程研究中較難分析其內部的應力分布，文章通過例子介紹ANSYS有限元軟件在古建筑受力分析中的應用。

有限元；古建筑；應力分布

0　引言

近年來，隨著社會經濟的不斷發展，加強對文物建筑的保護，繼承中華民族優秀的歷史文化遺產越來越迫切。由于古建筑建造年代久遠，受當時條件所限，部分古建筑結構構件傳力路線不明確、內力分布復雜，加上年久失修，存在很大的安全隱患。建筑結構加固設計前需要探明其病害的原因，才能采取較合理的方案對其病害進行加固處理，因此古建筑加固設計前需要在勘查中探明殘損現狀，進而進行科學的分析計算，在論證的基礎上，做出古建筑造成當前殘損現狀原因的判斷，避免誤判，造成損失。本文通過ANSYS有限元軟件對某古建筑進行受力分析，通過分析應力云圖協助判定其病害的原因，取得良好的效果。

1　古建筑ANSYS建模方法

有限元法在工業界的應用已超過一百年以上的歷史。經過科技革命，計算機出現及發展使得有限元理論得以長足的發展，有限元分析結構的受力情況在工程應用中已經相當成熟。有限元分析理論從Matrix Structural Analysis的方法發展開始，首先應用于Beam及Truss為主的鋼構上，此后將理論引用至各個物理領域。ANSYS是隨著計算機的發展，以有限元分析理論為基礎而開發出來的一個大型有限元分析軟件。利用ANSYS有限元軟件對古建筑進行受力分析可大致分為以下3個步驟[1，2]。

1.1前處理階段

總的來說，前處理階段就是根據需要分析的古建筑的特性選用適當的元素，定義元素特性及材料性質、建立古建筑的實體模型并產生有限元模型。ANSYS中的元素種類以空間的立場來分類，可以分為點元素、線元素、面元素及體元素，除此之外，ANSYS的元素庫中還包含許多其他的元素，例如以Surf開頭的表面現象元素、以Cont開頭的接觸元素等。建模時應根據古建筑材料的性質及整體結構的受力特點，對古建筑的受力做合理的假設與簡化，挑選出合理的元素種類，進入下一階段的工作。選好了元素后，要對元素的特性進行設置，即設置Real Constant。元素的特性設置須以古建筑真實幾何模型的特性及古建筑材料的特性為依據。

材料特性設置完后進入實體模型的建立，建立實體模型可采取從上而下(Top-Down)或從下到上(Bottom-Up)兩種方法，在一個比較復雜的實體模型建模的過程中兩種方法經常是混合使用的。實體模型建完后即可以通過對實體模型的網格劃分把定義好的元素特性賦予實體模型，經過網格劃分后的實體模型才可進行計算分析。

1.2計算分析階段

1.3后處理階段

后處理器最主要的任務是將有限元計算分析的結果以圖形或文字的形式表現出來，以供判斷分析之用。在文字輸出的信息方面，包含節點及元素的變形量、應力及應變等數據。對構造簡單的模型來說，所提供的文字信息或許已經足夠。但對復雜的模型而言，龐大的文字信息反而造成用戶無所適從的感覺，因此往往需要在圖形情息中，利用顏色深淺變化的情況來分析建筑物的應力應變分布情況。在模型線性分析的基礎上，還可以在計算分析中對不同的工況進行分析計算，利用后處理技術讀取多個工況組合計算的結果。

2　工程實例

2.1工程概況

某土樓建于公元1912年(民國元年)，1917年建造而成，占地5 000m2。該土樓的建筑結構奇特，圓樓外左右有對稱的半月形館相輔，外觀建筑恰似一頂封建官吏的烏紗帽，主體是以我國神奇的八卦樓所布局，是樓中有樓的二環樓。外環樓是架梁式的土木結構，內環樓是磚木結構，有外土內洋之稱。外環樓墻是當地取材的生土經加工后夯筑而成，墻內每10cm厚布滿竹板式木條作墻筋，樓高19m。內外三環共有208個房間。第一層作廚房和飯廳，二層作糧倉，三、四樓則為臥室。每層樓有房間40間，配4副樓梯，按八卦方位設計，乾巽艮坤卦位為公共場所，分別為后廳、門廳和左右側門；坎震況離卦方位為住房，各配樓梯，概設門戶，戶閉自成院落，卦門開連成整體，卦與卦之間設防火隔墻，建造成輻射狀八等分，每封之間設有男女浴室和豬舍。具有卦門開即連成一體，卦門閉則自成小單元。

樓中樓是二層建筑的磚木結構，內有石雕柱腳、木刻門面，有琉璃瓦當和窗戶，二樓走廊欄桿是鑄鐵鑄成有梅蘭菊竹為圖案的欄桿，緊連著全樓中的中心大廳——樓中的重要活動中心場所，作議事廳、宴客廳，并可兼做戲臺。

2.2ANSYS模型計算分析

本文就該剖面土墻建立ANSYS有限元模型，分析計算得出其應力云圖，與現場的土墻裂損現狀進行分析比較，分析裂縫產生的原因，以供最終確定對該土墻加固修復的方案參考[3]。根據現場查勘情況可知，該土墻主要是由土體夯筑而成，其材料屬顆粒狀材料，此類材料受壓屈服強度遠大于受拉屈服強度，且材料受剪時顆粒會膨脹，因此，土墻土體的模型采用了Drucker-Prager本構模型，流動法則采用關聯流動法則，即膨脹角和內摩擦角相等，按照經驗值均取8°。選取墻體剖面建立模型，采用三節點三角形單元進行分析，因本工程僅進行二維剖面分析，模型較為簡單，僅采用自由劃分單元即可。邊界條件：土墻基底為剛性邊界，各節點在水平向及豎向位移均受到約束，上部及土墻左右邊界側均為自由邊界[4]。

根據土墻x方向應力云圖(圖2)可知，土墻x方向應力出現在底部基礎約束區域，而在臨近門洞的洞口上側弧頂位置及洞口下側均出現正應力即拉應力，土墻抗拉強度較差，因此在這些拉應力出現的區域容易出現裂縫。分析的結果與現場勘察發現土墻裂縫主要出現在門洞頂部，且裂縫寬度在靠近門洞位置最大，裂縫性狀為一端寬，沿著裂縫另一端方向寬度逐漸變小的現狀相吻合。根據土墻y方向應力云圖(圖3)可知，y方向應力總體來說從頂層至底層逐漸增大，均表現為負應力即壓應力，在同一標高處門洞兩側比其余墻體壓應力要大，在底層右側拱腳位置的墻段達到最大值，這與現場勘察發現的大部分墻體該墻段位置出現豎向裂縫，裂縫性狀表現為中間寬兩端窄，且局部出現磚塊被壓碎的現狀相吻合。

從xy方向剪應力云圖(圖4)可知，該土墻剪應力在各門洞頂部拱券[5]45°位置剪應力較大，在局部墻體變截面處出現應力集中現象，加固中需適當的加強。

根據上述ANSYS模型計算結果分析并結合現場裂損現狀，明確了引起該建筑物結構病害的原因，在加固設計時就可以對癥下藥，如在拱頂裂縫進行修復后須解決其抗拉強度不夠這一根本原因，才能從根源上消除原有的病害；同時底層墻段由于抗壓承載力不足引起的裂縫修復后同樣需要解決其抗壓承載能力不足這一根本原因，才能使得結構在修復后不會重復產生同樣原因的病害。

2.3針對ANSYS分析結果的加固方法

根據以上分析結果，采用具體方案進行維修加固。針對拱劵頂部位置分析結果由于水平向拉應力而產生的裂縫，采用封閉鋼板箍加固，鋼板箍沿拉應力的方向布置，提高拱頂水平向抗拉能力；針對拱腳分析，由于豎向壓應力產生的裂縫，采用環貼鋼板箍加固，鋼板箍方向垂直于壓應力方向布置；針對在各門洞頂部拱券45°位置剪應力較大問題，由于原建筑尚未出現具體病害，說明原建筑該部位承載力尚能滿足要求，考慮到古建筑盡量保持原有風貌的原則，暫不處理。

根據本文分析后出具的針對性加固維修方案，經過維修加固后，本工程使用至今已三年左右，使用效果良好。

3　結論

本文通過概括性的介紹了ANSYS有限元軟件在結構受力分析中建模的基本過程，并通過實際工程實例建模分析，探明了該古建筑土墻裂損的原因，以供確定其結構加固修復方案參考。從中可以看出ANSYS有限元軟件在以構件傳力路線不明確、材料特殊及結構復雜為特點的的古建筑受力分析中具有優越性，通過應力云圖可以直觀地得出正負應力的分布情況以查明應力集中的具體位置并確定結構的薄弱環節，因此ANSYS有限元軟件在探明古建筑應力分布情況、分析古建筑結構殘損原因、明確加固方法等方面可起到一定的作用。本文的工程實例經受力分析后確定加固設計方案，加固后交付使用，加固效果明顯。

[1]Saeed Moaveni. Finite Element Analysis: Theory and Application with ANSYS, Second Edition

[2]康淵，陳信吉.ANSYS入門(第三版)[M].北京：中國電力出版社，2007

[3]劉大可.古建筑屋面荷載匯編[J].古建園林技術，2001

[4]GB5009-2001 建筑荷載規范[S]

[5]王效青.中國古建筑術語辭典[M].太原：山西人民出版社，1996

陳李鋒(1984.10-)，副總工，工程師，主要從事結構加固設計、施工方面的工作

The Application of ANSYS Finite Element Software on Force Analysis for an Ancient Architecture

CHENLifeng

(FUJIAN FUYONG ENGINEERING TECHNOLOGY CO.,LTD,Fuzhou 350012)

It’s difficult to analysis the stress distribution in the ancient architecture because of it’s complex structure and special materials, the analysis on the stress distribution of an ancient architecture is carried out in this paper for your reference.

Finite element; Ancient architecture; Stress distribution

陳李鋒(1984.10-)，工程師。

E-mail:154157152@qq.com

2016-01-04

TU311

B

1004-6135(2016)03-0057-03