基于ANSYS的渡槽三維有限元分析和研究

蔣志誠

（湖北省水利水電規劃勘測設計院珠海分院,廣東 珠海 519000）

0 引言

渡槽是引水發電、城鎮供水和灌溉等輸水過程中跨越山谷洼地等常見的交叉輸水建筑物[1],其中,矩形、U型等梁式渡槽是較為常見的一種渡槽,這種渡槽的受力簡單明確,施工較為方便,而且造價比較低,是工程設計首選的結構類型[2-5]。

當前,工程中對槽身結構設計主要采用承載能力極限狀態法[6-8]。該方法理論成熟,工程適應性較好,但由于鋼筋混凝土結構表現出明顯的非線性行為,其不能準確地表現出鋼筋混凝土結構的力學性能,計算結果難以準確反映槽位移和應力情況。因此,采用非線性有限元方法,對反映混凝土和鋼筋的非線性特性很有必要。有限元采用連續介質理論,已廣泛應用于水工結構設計工作中,設計精度更高,尤其是對于大型復雜結構的分析更為全面。而ANSYS作為一個較為成熟的商業化有限元軟件,其強大的前后處理功能和各種類型的有限元單元、材料模型庫,為建立合理的鋼筋混凝土結構模型帶來極大的方便[9]。應用ANSYS對混凝土結構進行數值模擬計算,可以實現對鋼筋混凝土結構的非線性有限元分析,并在工程上得到較為理想的計算結果[10],故本次采用軟件ANSYS展開渡槽三維結構模擬和仿真計算。以某輸水工程渡槽工程背景,利用有限元軟件ANSYS建立三維模型,模擬渡槽在完建工況、半槽工況、滿槽工況下渡槽槽身的位移和應力分布特征。

1 工程概況

某輸水工程渡槽主要建筑物級別為4級,次要建筑物和臨時建筑物級別為5 級,設計流量為11 m3/s,渡槽整體結構包括上部槽身、雙肢排架支撐結構及基礎,槽身采用普通鋼筋混凝土矩形深窄式橫斷面,設置底肋、側肋、拉桿形成一個箍狀結構,槽身兩端擱置于雙肢排架上方。渡槽采用C30鋼筋混凝土,單節槽身縱向跨度為15 m。

2 有限元模型建立

2.1 有限元模型

選取單節渡槽作為研究對象,采用大型有限元軟件ANSYS進行計算。本次計算過程中選用考慮混凝土和鋼筋之間的粘結和滑移的分離式模型,采用solid65 單元模擬混凝土單元,link8模擬鋼筋單元[11]。考慮到渡槽和周圍土體的相互作用,地基順河向從渡槽外邊緣向兩側延伸15 m,橫河向從渡槽邊墻向兩側延伸5 m,垂直向從渡槽底部取40 m。邊界條件為：地基底面為全約束,X、Y方向為相應方向的法向位移約束。整體坐標系規定如下：x軸表示橫河向,y軸表示順河向,z軸表示垂直向。整個計算模型共離散84842個單元,100337個節點。

圖1 渡槽槽身有限元模型

圖2 渡槽-地基整體有限元模型

2.2 參數取值

根據實際地質勘察報告和現行規范,渡槽槽身材料參數值見表1。

表1 渡槽槽身材料參數表

表2 地基土層物理參數表

2.3 計算工況及荷載組合

結合工程實際和相關規范,作用于渡槽荷載主要包含：結構自重、靜水壓力、風荷載、人群荷載等。各荷載取值如下：（1）重力加速度取9.81 m/s3。（2）靜水壓力以面荷載形式施加,半槽水深1.13 m,滿槽水深2.25 m。（3）風載強度W=0.789 kPa。（4）人群荷載按均布荷載施加：q=4.8 kN/m。根據相關規范,各計算工況及荷載組合見表3。

表3 槽身計算工況和荷載組合

3 計算結果及分析

3.1 位移分析

基于上述有限元模型,模擬分析渡槽槽身位移變形,各工況下槽身X、Y、Z位移值見表4。選取滿槽水深作為典型工況,繪制各方向位移云圖,見圖3。

表4 渡槽槽身各方向位移統計表

圖3 滿槽工況槽身位移云圖

由表4可知,各工況下最大位移均發生在滿槽工況。由圖3（a）可知,槽身X方向最大位移為0.189 mm,發生跨中邊墻；由圖3（b）可知,Y方向最大位移為0.354 mm,發生在邊跨頂板；由圖3（c）可知,Z方向最大位移為1.206 mm,發生在兩端邊跨底板位置；由圖3（d）可知,槽身位移對稱分布,且呈現從跨中向兩側逐漸減小的分布特性。

3.2 應力分析

基于上述有限元模型,模擬分析渡槽槽身應力分布特征,分別計算分析各工況下渡槽槽身X、Y、Z應力,計算結果見表5。選取滿槽水深作為典型工況,繪制各方向應力云圖,見圖4。

表5 渡槽槽身各方向應力統計表

圖4 滿槽工況槽身應力云圖

由圖4（a）可知,在滿槽水深工況下,槽身X方向最大壓應力0.722 MPa,發生在底板頂面中部；最大拉應力為1.51 MPa,發生在槽身跨中底肋。由圖4（b）可知,槽身Y方向壓應力呈現自跨中向兩端逐漸減小,最大壓應力為2.47 MPa,發生在槽身頂板跨中；最大拉應力為1.85 MPa,發生在槽身底板跨中,呈現從跨中向兩端逐漸減小的分布特性。由圖4（c）可知,槽身Z方向最大壓應力為4.03 MPa,發生在槽身與排架接觸區域；最大拉應力為1.27 MPa,發生底板表面與邊墻接觸區域。

由圖4（d）和4（f）可知,槽身最大壓應力為4.09 MPa,發生在邊跨與排架接觸區域,呈現從底板向頂跨逐漸減小的趨勢；最大拉應力為1.86 MPa,發生在槽身底板跨中底面,呈現從跨中向兩端逐漸減小的分布特性。槽身應力整體呈對稱分布。

由表5可知,各工況下槽身最大壓應力為4.09 MPa,小于混凝土的抗壓強度允許值；最大拉應力為1.86 MPa,大于混凝土的抗拉強度允許值,但遠小于鋼筋的抗拉強度允許值,拉應力主要由鋼筋承擔。

4 結論

（1）在各工況下,渡槽槽身位移變形和應力變形分布具有很強的對稱性,分布規律符合鋼筋混凝土結構矩形渡槽的受力特點。槽身總體位移較小,壓應力和拉應力小于規范允許值,結構整體設計合理。

（2）在支座約束位置及截面突變角點處出現局部應力集中,建議通過增加配筋,增大截面的接觸面積,優化支座形式等方法,控制或者減弱應力集中的現象。