基于ANSYS的渡槽三维有限元分析和研究 (1).pdf

第9 期2023年9 月文章编号：16 7 3-9 0 0 0（2 0 2 3)0 9-0 0 0 5-0 3陕西水利Shaanxi WaterResourcesNo.9September,2023基于ANSYS 的渡槽三维有限元分析和研究蒋志诚（湖北省水利水电规划勘测设计院珠海分院，广东珠海5 19 0 0 0）摘要以某输水工程渡槽为例，采用有限元软件ANSYS建立三维模型，模拟分析槽身在不同荷载组合工况下的位移变形和应力分布特征。结果表明，渡槽槽身结构设计要求，位移变形和应力分布符合钢筋混凝土结构矩形渡槽的受力特点，位移和应力均满足规范要求，所得结果可为简支梁式渡槽设计提供参考。【关键词渡槽；位移变形；应力分布；ANSYS中图分类号TV672+.3【文献标识码BResearch and Analysis of Three-dimensional Finite Element of Ferry Based onANSYSJiang Zhicheng(Zhuhai Branch of HuBei Institute of Water Resources Survey and Design,Zhuhai 519000,Guangdong)Abstract:Taking a water transmission project ferry as an example,the finite element software ANSYS was usedto establish a three-dimensional model to simulate and analyze the displacement deformation and stress distributioncharacteristics of the trough body under different load combinations.The results show that the structural design of the channelbody,displacement deformation and stress distribution meet the force characteristics of the rectangular reinforced concretestructure,and the displacement and stress meet the specification requirements,and the results obtained can provide referencefor the design of simply supported beam type channel.Key words:Aqueduct;displacement deformation;stress distribution;ANSYS值模拟计算，可以实现对钢筋混凝土结构的非线性有限元分0引言析，并在工程上得到较为理想的计算结果,故本次采用软渡槽是引水发电、城镇供水和灌溉等输水过程中跨越件ANSYS展开渡槽三维结构模拟和仿真计算。以某输水工山谷洼地等常见的交叉输水建筑物，其中，矩形、U型等程渡槽工程背景，利用有限元软件ANSYS建立三维模型，模梁式渡槽是较为常见的一种渡槽，这种渡槽的受力简单明拟渡槽在完建工况、半槽工况、满槽工况下渡槽槽身的位移确，施工较为方便，而且造价比较低，是工程设计首选的结和应力分布特征。构类型2-5 。1工程概况当前，工程中对槽身结构设计主要采用承载能力极限状态法6-8。该方法理论成熟，工程适应性较好，但由于钢筋混凝土结构表现出明显的非线性行为，其不能准确地表现出钢筋混凝土结构的力学性能，计算结果难以准确反映槽位移和应力情况。因此，采用非线性有限元方法，对反映混凝土和钢筋的非线性特性很有必要。有限元采用连续介质理论，已广泛应用于水工结构设计工作中，设计精度更高，尤其是对于大型复杂结构的分析更为全面。而ANSYS作为一个较为成熟的商业化有限元软件，其强大的前后处理功能和各种类型的有限元单元、材料模型库，为建立合理的钢筋混凝土结构模型带来极大的方便19。应用ANSYS对混凝土结构进行数某输水工程渡槽主要建筑物级别为4级，次要建筑物和临时建筑物级别为5 级，设计流量为11m/s，渡槽整体结构包括上部槽身、双肢排架支撑结构及基础，槽身采用普通钢筋混凝土矩形深窄式横断面，设置底肋、侧肋、拉杆形成一个箍状结构，槽身两端搁置于双肢排架上方。渡槽采用C30钢筋混凝土，单节槽身纵向跨度为15 m。2有限元模型建立2.1有限元模型选取单节渡槽作为研究对象，采用大型有限元软件收稿日期2 0 2 3-0 2-14【作者简介蒋志诚（19 9 5-），男，广西博白人，助理工程师，主要从事水利、岩土类工作。5第9 期2023年9 月ANSYS进行计算。本次计算过程中选用考虑混凝土和钢筋之间的粘结和滑移的分离式模型，采用solid65单元模拟混凝土单元,link8 模拟钢筋单元。考虑到渡槽和周围土体的相互作用，地基顺河向从渡槽外边缘向两侧延伸15 m，横河向从渡槽边墙向两侧延伸5 m，垂直向从渡槽底部取40 m。边界条件为：地基底面为全约束,X、Y方向为相应方向的法向位移约束。整体坐标系规定如下：x轴表示横河向，y轴表示顺河向，z轴表示垂直向。整个计算模型共离散8 48 42 个单元，10 0 337 个节点。图1渡槽槽身有限元模型陕西水利Shaanxi WaterResources式施加，半槽水深1.13m，满槽水深2.2 5 m。（3）风载强度W=0.789kPa。（4）人群荷载按均布荷载施加：q=4.8kN/m。根据相关规范，各计算工况及荷载组合见表3。表3槽身计算工况和荷载组合计算工况自重静水压力风荷载人群荷载完建工况V半槽水深V满槽水深V3计算结果及分析3.1位移分析基于上述有限元模型，模拟分析渡槽槽身位移变形，各工况下槽身X、Y、Z位移值见表4。选取满槽水深作为典型工况，绘制各方向位移云图，见图3。表4渡槽槽身各方向位移统计表No.9September,2023VY位移/mm计算工况8完建工况半槽水深满槽水深图2 渡槽地基整体有限元模型NODALSOLUTIONSTEP=3SUB-12.2参数取值根据实际地质勘察报告和现行规范，渡槽槽身材料参数值见表1。表1渡槽槽身材料参数表抗压强度抗拉强度密度弹性模量泊松比类别设计值/设计值/p/kg/m)EICPa混凝土(C30)2400钢筋(HRB335)7850表2地基土层物理参数表密度弹性模量泊松比凝聚力摩擦角类别p/(kg/m)人工堆积粘土1.652.3计算工况及荷载组合结合工程实际和相关规范，作用于渡槽荷载主要包含：结构自重、静水压力、风荷载、人群荷载等。各荷载取值如下：（1）重力加速度取9.8 1m/s。（2）静水压力以面荷载形60.1730.179-0.189TIME=3UXAVGRSYS-ODMX=.002509SMN=-.105ESMX=-.189E-04-.105E-03859E-04668E-04-476E-04-285E-04-.955E-04.763E-04-.572E-04-380E-04-.189E-04（a）满槽工况槽身X方向位移云图（b）满槽工况槽身Y方向位移云图MPaMPa300.1672000.2E/MPa5.00.2140.2840.354NODALSOLUTIONSTEP=3SUB-1TIME3UYCAYRSYS=ODMX=.002509SMIN-250F-03SMX=-.354E-03Z.250E-03-115E-03-.186E-04-153E-03-287E-03.183E-03.485E-04.856E-04.220E-03.354E03NODALSOLUTIONNODALSOLUTIONSTEP=314.31.43300300C/MPa0.345-1.006-1.105-1.206STEP=3SUB=1SUB=1TIME=3TIME=3UXCAUYYRSYS=ORSYS=ODMX-=.002509DMX=.002509SMN=-.002508SMN-.001227SMX=-.001206SMX=.002509.002508-.002219.00193.00164.001351.001227_.001512_001797_.002082.002367.002364.002074.001785,001495.001206.00137.001655.00194.002224002509（c）满槽工况槽身Z方向位移云图（d）满槽工况槽身总位移云图15.0图3满槽工况槽身位移云图由表4可知，各工况下最大位移均发生在满槽工况。由图3（a）可知，槽身X方向最大位移为0.18 9 mm，发生跨中边墙；由图3（b）可知，Y方向最大位移为0.35 4mm，发生在边跨顶板；由图3（c）可知，z方向最大位移为1.2 0 6 mm，发第9 期2023年9 月生在两端边跨底板位置；由图3(d）可知，槽身位移对称分布，且呈现从跨中向两侧逐渐减小的分布特性。3.2应力分析基于上述有限元模型，模拟分析渡槽槽身应力分布特征，分别计算分析各工况下渡槽槽身X、Y、Z应力，计算结果见表5。选取满槽水深作为典型工况，绘制各方向应力云图，见图4。表5 渡槽槽身各方向应力统计表应力/MPa计算工况01max0.442完建工况minmax半槽水深minmax满槽水深min注：表中“_”表示压应力，“+”表示拉应力。1NODALSOLUTIONSTEP=3SUB-TTIME=3UXCAVGRSYS=ODMX=.002509SMN=-.721653SMX=:15E+07721653225439270775766989126E+07473546 22667.8 518882.102E+07.151E+07（a）满槽工况槽身X方向应力云图（b）满槽工况槽身Y方向应力云图NODALSOLUTIONSTEP=3SUB-1TIME=3UXCAVGRSYS=ODMX=.002509SMN=-.403E+07SMX=.127E+07.403E+07-286E+07168E+07-499468678321344E+07.227E+07.109E+07 89426.7.127E+07（c）满槽工况槽身Z方向应力云图（d）满槽工况槽身第一主应力应力云图NODALSOLUTION1陕西水利Shaanxi Water Resources发生在槽身跨中底肋。由图4（b）可知，槽身Y方向压应力呈现自跨中向两端逐渐减小，最大压应力为2.47 MPa，发生在槽身顶板跨中；最大拉应力为1.8 5 MPa，发生在槽身底板跨中，呈现从跨中向两端逐渐减小的分布特性。由图4(c)可知，槽身Z方向最大压应力为4.0 3MPa，发生在槽身与排架接触区域；最大拉应力为1.2 7 MPa，发生底板表面与边墙接触区域。由图4（d）和4（f)可知，槽身最大压应力为4.0 9 MPa,发生在边跨与排架接触区域，呈现从底板向顶跨逐渐减小的趋势；最大拉应力为1.8 6 MPa,发生在槽身底板跨中底面，呈03现从跨中向两端逐渐减小的分布特性。槽身应力整体呈对称分布。1.0100.438-0.398-1.340-2.210-0.336-2.2400.9671.420-0.558-1.890-3.120-0.473-3.1601.5101.850-0.722-2.470-4.030-0.611-4.090NODALSOLUTIONSTEP=3SUB-1TIME=3UYCAVORSYS=ODMX=.002509SMN=-.247E+07SMX=-185E+07247E+07.151E+07847812,413042.137E+07199E+07.103E+0767385893469.185E+07NODALSOLUTIONSTEP=3SUB-ITIME3UYCAVORSYS=ODMX=.002509SMN=-610848SMX=-186E+07610848-62476485897.103E+07158E+07336662211710No.9September,20231.0100.0620.8281.430-0.1571.2701.860760083.131E+07.186E+07由表5 可知，各工况下槽身最大压应力为4.0 9 MPa，小于混凝土的抗压强度允许值；最大拉应力为1.8 6 MPa，大于混凝土的抗拉强度允许值，但远小于钢筋的抗拉强度允许值，拉应力主要由钢筋承担。4结论0.243（1）在各工况下，渡槽槽身位移变形和应力变形分布具有很强的对称性，分布规律符合钢筋混凝土结构矩形渡槽的受力特点。槽身总体位移较小，压应力和拉应力小于规范允许值，结构整体设计合理。（2）在支座约束位置及截面突变角点处出现局部应力集中，建议通过增加配筋，增大截面的接触面积，优化支座形式等方法，控制或者减弱应力集中的现象。1何光宇，井向阳.基于有限元法的某大型渡槽结构配筋设计.水电与新能源.2 0 17.（12）：2 1-2 5.2李世平，谢三鸿，唐清华，等.南水北调中线工程某大型渡槽设计J.人民长江,2 0 11.42（2 0）：31-34.3郑重阳，彭辉，任德纪.南水北调中线工程沛河渡槽三维有限元Z分析J.长江科学院报，2 0 13,30（5）：8 6-9 1.4罗盛为.双层渡槽在输水中应用J.中国农村水利水电,2 0 0 0(11):24-26.5李俊宏，何淑媛，袁勤国.大型渡槽槽身施工技术进展J.中国农村水利水电,2 0 0 5（10）：6 1-6 3.参考文献SUB=1STEP=3TIME=3UXCAVGRSYS-ODMX=.002509SMN=-.409E+SMX=242626.409E+07.312E+07216E+07.120E+07238428361E+07264E+07.168E+07719481242626（e）满槽工况槽身第三主应力应力云图图4满槽工况槽身应力云图由图4（a）可知，在满槽水深工况下，槽身X方向最大压应力0.7 2 2 MPa,发生在底板顶面中部；最大拉应力为1.5 1MPa,6SL482-2011,灌溉与排水渠系建筑物设计规范S.7SL191-2008,水工混凝土结构设计规范S.8SL744-2016,水工建筑物荷载设计规范S.9吴晓春，杨祖权，万胜武.ANSYS软件在钢筋混凝土构件有限元分析中的应用J.山西建筑，2 0 0 4,30（16）：2 0 8-2 0 9.10刘世忠.基于ANSYS的钢筋混凝土结构非线性有限元分析J.工程结构,2 0 0 6,2(2 6):9 2-9 5.11黄桂林，张兵.鄂北地区水资源配置工程大跨度预应力渡槽三维有限元分析J.水利水电技术,2 0 16.7（47）：2 7-31.7