基于ANSYS的裝配式方井U型構件受力分析★

譚樹成 王 欣 鐘仕林 郭小燕 李思微

(四川蜀渝石油建筑安裝工程有限責任公司，四川 成都 610000)

U型模塊結構裝配式方井及其裝配方法，主要通過將方井壁進行工程模塊化生產，再將構件運送至施工現場進行拼裝，減少施工現場的施工工序，避免了現場澆筑混凝土形勢帶來的環境污染及現場模板的浪費，同時響應裝配式綠色建筑的推廣和應用[1-3]。為此，本文研究的新式頁巖氣方井結構——U型模塊結構裝配式方井基于有限元軟件ANSYS通過數值模擬手段，對裝配式方井工程不同工況進行模擬，對比不同工況下方井的工作效果，從而得出有益于指導工程實際的結論[4]。

本文主要運用有限元數值模擬技術,對裝配式U型構件的整個施工過程中的結構穩定性、節點進行模擬計算,確保施工過程中的安全穩定性[5]。通過數值模擬分析結果表明:有限元數值模擬技術,能夠較好地模擬施工過程中各個階段的變形位移以及所受到的壓應力和拉應力的變化增幅均在規范要求以內，故表明裝配式方井U型構件在使用過程中不同工況下均具有足夠的穩定性和承載性[6]。

1 模型的基本信息

針對裝配式方井預制模板的型號，采用ANSYS16.0建立了1個裝配式方井預制U型構件有限元分析模型，裝配式方井的預制模型采用實體單元模擬，整個模型采用分離式建模，完成了較為清晰、系統的信息模型為后續研究工作提供基礎。

1.1 參數及模型基本特征

U型預制構件為ZSYPC1型號這種規格，構件的墻厚度為200 mm、寬為4 400 mm、側寬為2 500 mm，高度為1 200 mm；U型構件配筋采用雙層雙向，主筋為HRB400，直徑14 mm鋼筋，分布鋼筋為HRB400，直徑10 mm鋼筋，U型預制構件混凝土標號為C35。模型方井構件及相關尺寸如圖1，圖2所示。

1.2 U型構件裝配式方井模型

根據圖3所示的幾何圖形，利用ANSYS16.0可建立裝配式方井U型構件多線性各項同性硬化模型，混凝土采用Solid65建立模型，其中ZSYPC1型號U型構件模型共由43 890個節點及45 528個單元體組成，內部鋼筋布置模型為鋼筋雙線性各向同性硬化塑性模型，采用Link8建立模型，如圖4所示。模型邊界條件：假設U型構件的最底部不發生任何豎向方向以及水平方向的位移，且不可旋轉，以及U型構件的兩側支端端尾面不發生任何豎向方向以及水平方向的位移，且不可旋轉；因此約束U型構件最底部水平方向的自由度以及豎向方向的自由度、U型構件兩側支端端尾面水平方向的自由度以及豎向方向的自由度，處理為ux，uy，uz約束；U型構件數值模擬約束條件的施加見圖5。

2 U型構件不同工況下的數值模擬

通過數值模擬手段，對裝配式方井工程不同工況進行模擬，對比不同工況下方井的工作效果，從而得出有益于指導工程實際的結論。

ZSYPC1型號的U型構件模擬工況如下：

工況一：土壓力；U型預制構件在受水平土壓力的影響作用，構件是否會發生水平方向的混凝土破壞以及U型板折斷的現象。

工況二：土壓力+水壓力；在工況一的基礎上，考慮U型裝配式方井在半水情況下，水對方井內壁即U型板內壁的作用。

工況三：土壓力+水壓力+均布荷載；在工況二的基礎上，考慮在裝配式方井U型構件上方施加均布荷載，模擬U型構件是否會發生坍塌破壞。

數值模擬中鋼筋、混凝土的主要參數見表1，表2。

表1 主要對象物理力學參數(一)

表2 主要對象物理力學參數(二)

3 裝配式方井U型構件模擬結果

3.1 不同工況下的模擬結果

3.1.1工況一

ZSYPC1型號U型構件在外側底部所受到的土壓力為135.936 kN/m，外側頂部受到的土壓力為76.464 kN/m，水平方向土壓力在U型構件外側頂部到底部之間呈線性梯形荷載分布，在ANSYS中ZSYPC1型號U型構件模擬工況一的荷載及約束施加如圖6所示。

對ZSYPC1型號U型構件模型施加水平方向的土壓力時，經過建立數值模型，最終求解出ZSYPC1型號U型構件在工況一的情況下混凝土第三主應力云圖如圖7所示。

3.1.2工況二

ZSYPC1型號U型構件在內側底部所受到的水壓力為23.52 kPa，頂部受到的水壓力為11.76 kPa，水壓力在U型構件內側頂部到底部之間呈線性梯形荷載分布，在ANSYS中U型構件模擬工況二的荷載及約束施加如圖8所示。

U型構件模型在工況一的基礎上施加水平方向的水壓力時，經過建立數值模型，最終求解出U型構件在工況二的情況下混凝土第三主應力云圖如圖9所示。

3.1.3工況三

土壓力+水壓力+均布荷載；在工況二的基礎上考慮到在裝配式方井上方施加均布荷載時對U型構件所產生的影響，U型構件是否會發生坍塌破壞；在ANSYS中工況三的荷載及約束施加如圖10所示。

在工況二的基礎上在U型構件上方施加均布荷載時，經過建立數值模型，最終求解出U型構件在工況三的情況下混凝土第三主應力云圖如圖11所示。

3.2 模擬結果分析結論

裝配式方井U型構件在不同工況下，U型構件的混凝土變形位移以及所受到的壓應力和拉應力均無明顯的增幅，相較于工況二與工況三，工況一的變形位移與壓應力和拉應力增幅更大一些，工況二與工況三的增幅接近；工況一、工況二與工況三的混凝土變形位移以及所受到的壓應力和拉應力的變化增幅均在規范要求以內，故表面表明裝配式方井U型構件在使用過程中不同工況下均具有足夠的穩定性和承載性(如表3所示)。

表3 不同工況下U型構件力學相應表

由表3可知，裝配式方井U型構件在不同工況下，U型構件的混凝土變形位移以及所受到的壓應力和拉應力均無明顯的增幅，相較于工況二與工況三，工況一的變形位移與壓應力和拉應力增幅更大一些，工況二與工況三的增幅接近；工況一、工況二與工況三的混凝土變形位移以及所受到的壓應力和拉應力的變化增幅均在規范要求以內，故表面表明裝配式方井U型構件在使用過程中不同工況下均具有足夠的穩定性和承載性[7,8]。

通過以上U型構件在不同工況下的數值模擬分析可知，U型構件的最大變形位移為0.070 2 mm，最大壓應力為0.092 2 MPa，最大拉應力為0.011 7 MPa，滿足規范GB 50010—2010混凝土結構設計規范的要求，故U型構件所產生的最大變形位移、最大壓應力以及最大拉應力尚不足以對U型構件造成不可逆形變[9]。

4 結論與展望

1)裝配式方井U型構件在不同工況下，U型構件的變形位移、拉應力、壓應力以及抗剪承載能力均能滿足規范GB 50010—2010混凝土結構設計規范的要求。2)通過數值模擬分析，在U型構件上方施加荷載時，構件的底部受到的應力相較于其他部位更為集中，故在裝配式方井拼接過程中要尤為注意構件底部的連接，才能確保裝配式方井的長期使用，避免裝配式方井構件的破壞、變形。3)利用有限元ANSYS分析軟件可以得到滿足工程要求的數值解，可縮短設計工期、降低工程成本，解決工程中的結構分析問題。