ANSYS模擬與傳統實驗沉降量對比研究

邵遲，周斌，吳文凱，陳勇

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ANSYS模擬與傳統實驗沉降量對比研究

邵遲1，周斌1，吳文凱2，陳勇2

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

利用有限元對沉降量進行了分析，從位移和應力兩個方面進行了論述，通過傳統載荷試驗取得了三個點的載荷試驗數據，繪制了相應的P-S曲線，提出了建立物理-力學計算模型得到精確解的方法；進行了兩種狀態下混凝土沉降量研究，并通過計算取得了最佳的墊層厚度。研究結果表明，采用ANSYS模擬的沉降量比傳統試驗得到的沉降量小，且相對誤差限為21%，達到了混凝土墊層設計厚度滿足剛度要求的效果，解決了核電強夯區永久倉庫能夠存放貨物的問題。

載荷試驗；有限元；沉降量；模型；研究

根據國務院文件精神，桃花江核電廠工程暫停建設，但很多大型起重機、超重型貨物以及大型的電儀設備遇到惡劣的天氣容易發生銹蝕，用腳手架和篷布搭建臨時棚廠需要人員定期養護，非常耗費資金、人力、物力，所以建一個永久倉庫是必要的。永久倉庫C庫位于益陽桃花江沾溪鎮，場地系低山丘陵區，倉庫地基已進行回填夯實。土基回彈模量是路面結構設計中必不可少的設計參數，直接影響路面設計的厚度[1]。依據強夯檢測報告[2]，地基承載力特征值滿足150kPa要求。在澆筑倉庫面層后---，湖南桃江核電有限公司要求在設計單位提供的倉庫地坪設計荷載基礎上，校核永久倉庫地坪的實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測定時的一般規律，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下，地表的變形曲線極其相似，復合地基中，承壓板的面積大小對地基的沉降量有一定的影響，為反映復合地基的變形及工作性狀，一般應選用與單樁處理面積相近的大面積壓板進行載荷試驗[3]。復合地基承載力特征值隨著墊層厚度的增加，先增大，后減小。可見墊層厚度存在最優值，其對復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前處理模塊、一個分析計算模塊、兩個后處理模塊和幾個輔助處理模塊等。前處理模塊用于生成有限元模型；分析計算模塊用于施加載荷及邊界條件，完成求解計算；后處理模塊用于獲得求解結果，以便對模型作出評估[5]。但對于ANSYS模擬與傳統實驗沉降量對比研究，前人研究較少，有待進一步研究。因此，先用ANSYS分析出最大沉降量，再通過試驗對比研究驗證其合理性是很有必要的。

表1 模擬模型基本條件

參數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小（kPa） 模型162（擴散后）20C30混凝土 無約束輻射作用于頂部向下沿負y方向420

1 步驟

選擇三個具有代表性的測試點TL-01、TL-02、TL-03，運用墊層擴散理論進行載荷試驗，目的非常明確。當上部結構有荷載作用時，地基土和地坪通過縱向聯系共同分擔，墊層將荷載傳遞給土體，避免應力集中。一般來說，墊層厚度越厚，應力擴散越明顯，地坪承載力特征值也就越大。

選用實體SOLID92、COMBIN14；根據坐標生成節點，采用直接法構建有限元模型，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，模擬圓柱體面層無約束，模擬圓柱體均布荷載方向為輻射作用于頂部向下沿負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→實常數→成有限元模型→出結果設置→網格劃分→施加位移約束→施加均布荷載→求解→定義均布荷載處變量→節點位移、滿載UY變形繪圖顯示→Von Mises應力、滿載UX應力繪圖顯示→規律列表顯示。

2 有限元模型的建立

2.1 單元選取

采用ANSYS軟件的APDL參數化有限元技術分析，對墊層進行參數化建模，結果見圖1~圖2。

圖1 節點位移

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，軸心抗壓強度設計值20.1MPa，軸心抗拉強度設計值14.3MPa。采用ANSYS中的SOLID92實體單元通過10節點來定義網格劃分，分析其剛度特性、應力狀態，以提高模型的計算精度。圓形承載板直徑62cm，根據墊層擴散理論，擴散半徑81cm。

表2 有限元位移應力數值表

2.3 結果與分析

通過ANSYS的Preprocessor-Solution-General Postproc三個階段的批處理，可以簡單直觀的得到節點位移云圖、滿載UY變形云圖。

結合APDL參數化有限元分析，模型滿足剛度要求，代數精度達到小數點后三位，因此在對試驗裝置初步模擬后，利用有限元分析軟件模擬數值分析進一步求得精確解是很有必要的，下面依據傳統現場載荷試驗計算節點沉降量變化。

在模型的均布荷載作用位置，存在最大節點豎向位移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 設計材料厚度及控制參數

Mises等效應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 傳統現場載荷試驗

3.1 試驗設計

1）幾何尺寸（如圖3）

圖3 載荷試驗點位置示意圖

2）試驗最大加載量計算

強夯地基的承載力特征值為P=150kPa，根據墊層擴散（如圖4）理論，承載面積取1m2，墊層擴散角取20°。考慮2倍以上的安全系數，本次試驗的最大加載量取420kPa。

圖4 應力擴散計算簡圖

3）試驗方案

根據強夯檢測報告，結合倉庫地坪現狀的實際，在比較容易實現設備操作的吊車一跨內，選取地基承載力特征值較低的點，以使其具有代表性。具體選取的檢驗點位置：第一點（TL-01）在10軸與J軸之間，第二點（TL-02）在21軸與J軸之間，第三點（TL-03）在29軸與J軸之間。

表4 載荷試驗成果匯總表

采用堆載反力平臺提供反力，手動加載、卸載和記錄試驗數據，承載板直徑62cm。試驗時每級加荷30kPa，分14級加載，終止荷載為420kPa。沉降穩定標準為連續2h，沉降量每小時不超過0.1mm或連續1h沉降量每30min不超過0.05mm。

3.2 試驗數據分析

試驗點的最大沉降量見表4，P-S曲線見圖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

載荷試驗結果顯示：TL-01～TL-03的載荷試驗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，既無明顯的比例界限荷載，也無明顯的極限荷載，取最大加載量（420kPa）的一半作為永久倉庫C庫地坪承載力特征值，即。

4 混凝土墊層沉降量及厚度的計算

永久倉庫地坪的混凝土強度等級為C30，載荷試驗的物理模型，設千斤頂和載荷板的剛度為無窮大，力學模型如圖8。

混凝土地坪面層的強度等級為C30，厚度30cm；地坪墊層的強度級為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逐級加載，變化范圍為30~420kpa。

集中力作用在圓形承載板上，取=1cm進行計算，則集中荷載可以等效為長為2R寬為的矩形窄條，并考慮墊層的應力擴散效應，擴散半徑為r=30+20=50cm。

承載板直徑62mm，厚度為40mm，容重為78.5kN/m3，所以當加載值達到最大時，出現最不利荷載位置，即荷載板邊緣。

圖8 力學模型

表5 B、C兩點沉降量（計算值）

5 結論

1）建立基于ANSYS的有限元模型得到的均布荷載作用位置，存在最大節點豎向位移0.529mm；在傳統試驗計算結果中，存在最大節點豎向位移0.67mm，數據精度均達到四階，模擬值小于實驗值，相對誤差限為。

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，對豎向位移的影響可以忽略。

4） 載荷試驗中TL-01、TL-02、TL-03三點的沉降量分別為0.15mm、0.58mm、0.52mm，P-S曲線既無明顯的比例界限荷載，也無明顯的極限荷載，混凝土地坪也沒出現裂縫，表明采用墊層擴散理論計算的墊層沉降量是正確可靠的，永久倉庫地坪沉降量、強度、剛度和穩定性滿足設計要求。

參考文獻:

[1] 胡順洋，劉海，嚴秀俊.強夯法處理吹填砂土基的試驗研究[J].鐵道建筑，2012，（03）：83.

[2] 湖南桃花江核電站強夯地基檢測報告[R].

[3] 張珊菊.地基變形特性研究及其在平板載荷試驗中的應用[D].廣州：廣東工業大學，2004.

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

[5] 王金龍.ANSYS12.0土木工程應用實例解析[M].機械工業出版社，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