基于ANSYS 有限元分析软件的混凝土结构位移分析

敬 晨

(黑龙江省三江工程建设管理局，哈尔滨150081)

1 ANSYS 原理

ANSYS 原理是有限单元法思想，即把计算域离散剖分为有限个互不重叠且相互连接的单元，在每个单元内选择基函数，用单元基函数的线形组合来逼近单元中的真解，整个计算域上总体的基函数可以看作由每个单元基函数组成的，则整个计算域内的解可以看作是由所有单元上的近似解构成［1］。

虽然有限单元法在力学模型上是近似解，但是在数学求解上非常严格。与传统方法相比，这种方法计算能力非常强大，能够应用于很多大中型水利工程，故本文应用ANSYS 软件，以有限单元法的思想解决水利工程中的实际问题。

2 计算基本假定

1)混凝土、钢结构材料均假设为各向同性线弹性材料。

2)材料的物理力学参数按设计标准值选取［2］。

3 计算基本资料

3.1 工程概况

某水电站升船机渡槽段坝后安装顶板为拱形，采用预制混凝土模板方案，预制混凝土模板为120°全拱，下部设牛腿。封拱时需要逐层浇筑混凝土，受力情况非常复杂。本文主要运用有限单元法思想，结合ANSYS 软件分析预制混凝土模板放入，左右同时浇筑一层混凝土时，整个结构的位移。浇筑混凝土时，模型需要承受自身的重力、新浇筑混凝土的重力、钢筋的重力以及二者对预制混凝土模板的侧压力。

3.2 材料参数

3.2.1 混凝土

①混凝土标号:C30;②重度:25kN/m3;③泊松比:1/6;④混凝土轴心抗拉强度设计值:1.43MPa;⑤混凝土轴心抗压强度设计值:14.3MPa。

弹性模量取值见表1。

3.2.2 基本静荷载作用

①预制混凝土模板结构自重;②新浇筑混凝土及钢筋自重;③新浇筑混凝土对模板的侧压力。

3.3 荷载分项系数

进行静力计算，计算内力、应力时宜采用设计值，即标准值乘以荷载分项系数;计算位移时宜采用标准值。本次计算中荷载分项系数均为1.05。

4 计算模型

计算模型的总体坐标系取X 轴为水平上下游方向，指向下游为正;Y 轴为竖向，向上为正;Z 轴为水平左右两侧方向，指向右岸为正(面向下游，右手边为右侧)，坐标原点在牛腿处。

表1 不同龄期混凝土弹性模量取值

计算模型长度方向约为50 m，宽度方向为20 m。为了更为真实地模拟施工过程，按实际尺寸和形状建立全三维有限元模型。本研究选取三维实体单元solid45 建立模型，其中单单元最少模型共划分单元66838 个，结点87188 个。网格划分数量经过分析，足够精细，保证了计算结果的可靠性。网格继续加密，导致单元个数增多，但对位移结果影响很小，而计算时间延长。混凝土结构的有限元网格剖分见图1。

图1 混凝土结构网格划分图

5 计算结果

网格划分之后根据边界条件施加荷载、求解。所提取的位移结果包括:

1)总位移。

2)X 方向位移:X 方向为水平上下游方向，指向下游为正，指向上游为负。

3)Y 方向位移:Y 方向为竖向，向上为正，向下为负。

4)Z 方向位移:Z 方向为水平左右两侧方向，指向右岸为正(面向下游，右手边为右侧)。

经过计算，可以提取出各个单元的总位移、X 方向位移、Y 方向位移以及Z 方向位移，但考虑到单元过多，仅提取出各个位移的最大及最小值。所提取的位移计算数据结果见表2，为了更加清晰、直观，提取出总位移分布云图，见图2。图中标示出总位移较大处和位移较小处。

表2 位移计算结果

图2 总位移分布图

6 结 论

根据对计算结果的分析，可以得出以下结论:

1)经过软件分析计算，可以得到各个单元的总位移、X 方向位移、Y 方向位移及Z 方向位移。整体结构总位移最大值为2.074 mm，发生在跨中;总位移最小值为0 mm，发生在支座及牛腿附近。

2)由于ANSYS 软件本身的特点，有限元计算过程中，角缘处容易出现应力奇异及应力集中现象，局部应力可能偏大，在配筋设计中需要注意。

［1］王瑁成.有限单元法［M］.北京:清华大学出版社，2007.

［2］赖永标.ANSYS11.0 土木工程有限元分析典型范例［M］.北京:电子工业出版社，2007.