張義樂，李天堯

（上?？睖y設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200335）

0 引言

工程師們通常對(duì)一些簡單的結(jié)構(gòu)運(yùn)用結(jié)構(gòu)力學(xué)或者借助工具箱進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算，但一些較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)往往不能較好的去簡化它，從而影響計(jì)算的準(zhǔn)確度和可靠性。近些年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，國內(nèi)出現(xiàn)了很多如ANSYS、SAP2000、ABAQUS、ADINA、Hypermesh 等有限元軟件，這些軟件有良好的用戶操作界面，且具有強(qiáng)大的建模和后處理過程。本文結(jié)合實(shí)際的工程案例，主要介紹了SAP2000 和ANSYS 在空箱結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用。

1 工程概況

本工程位于九江市城西港區(qū)閻家渡的新開河出口，該位置是九江長江大堤與城市長江防洪堤及八里湖堤與賽城湖堤的結(jié)合部。U 型隔堤導(dǎo)墻具有分隔八里湖和賽城湖的兩湖水作用，并與長江干堤（永安堤）同為2 級(jí)堤防工程。隔堤總長為61.98 m，共分為三段，平面布置圖及縱剖面圖見圖1、圖2，本文選取最高一段隔0+000.0～0+020.00Part1 結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，該結(jié)構(gòu)由5 道橫隔墻、兩道側(cè)墻、一道中隔墻、底板組成的空箱結(jié)構(gòu)，空箱內(nèi)進(jìn)行填土。

圖1 隔堤平面布置圖

圖2 隔堤縱剖面圖

2 SAP2000 仿真計(jì)算

2.1 模型建立與計(jì)算方法

為了簡化計(jì)算，底板底高程取為7.10 m，①號(hào)隔墻、側(cè)墻高程為23.50 m，②號(hào)隔墻高程為22.50 m，③、④、⑤號(hào)隔墻、中隔墻的高程為19 m，①、②、③、④、⑤隔墻之間的間距為3.80 m，⑤號(hào)隔墻左端懸挑1.60 m，中隔墻與側(cè)墻的間距為5.85 m。底板、隔墻、側(cè)墻、中隔墻都采用SAP2000 的厚殼單元進(jìn)行建模。

底板為1000 m 厚殼截面構(gòu)件，側(cè)墻、①號(hào)隔墻為800 mm厚殼截面構(gòu)件，②號(hào)隔墻、③號(hào)隔墻、④號(hào)隔墻、⑤號(hào)隔墻、中隔墻為600 mm 厚殼截面構(gòu)件。

考慮該結(jié)構(gòu)的受力可知，在施工期即外河無水的情況下對(duì)墻體來說是最危險(xiǎn)的情況。故荷載主要為土壓力、土體自重、自重，填土高程為23.50 m。土壓力按庫侖主動(dòng)土壓力進(jìn)行計(jì)算，填土的指標(biāo)據(jù)地質(zhì)報(bào)告中的建議值，填土粘聚力容重γ=19.20 kN/m3，c=18.45 kPa，內(nèi)摩擦角?=11°。

圖3 SAP2000 計(jì)算模型

根據(jù)各板殼受力的特點(diǎn)，顯示計(jì)算的結(jié)果M11、M22、F11內(nèi)力云圖，可根據(jù)應(yīng)力云圖來判別結(jié)構(gòu)配筋的控制斷面，讀取彎矩或者軸力從而進(jìn)行結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算。

2.2 結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算成果

各板殼構(gòu)件彎矩及軸力云圖見圖4～圖10。

圖4 800mm 側(cè)墻內(nèi)力云圖

圖5 ①號(hào)隔墻內(nèi)力云圖

圖6 ②號(hào)隔墻內(nèi)力云圖

圖7 ③號(hào)隔墻內(nèi)力云圖

圖8 ④號(hào)隔墻內(nèi)力云圖

圖9 ⑤號(hào)隔墻內(nèi)力云圖

圖10 中隔墻內(nèi)力云圖

圖中各特征點(diǎn)內(nèi)力值本文只列舉了800 mm 側(cè)墻和①號(hào)隔墻，具體見表1～表2。其余隔墻內(nèi)力詳見文字?jǐn)⑹觥?/p>

由應(yīng)力云圖6～圖10 來看，彎矩M11 都極小，而軸力F11比較大，故可考慮該類板殼為受拉構(gòu)件；由②號(hào)隔墻F11 云圖看，特征點(diǎn)1、2 為角緣處出現(xiàn)應(yīng)力的集中點(diǎn)，在配筋計(jì)算中應(yīng)避免，故選擇支座處的特征點(diǎn)3、4，跨中的特征點(diǎn)5，為控制配筋的截面，軸力分別為861 kN，490 kN。③～⑤號(hào)隔墻所受荷載相同，同②號(hào)相同將支座處、跨中處作為配筋的截面，軸力為697 kN，297 kN。由中隔墻的F11 軸力云圖看，特征點(diǎn)1、3 為角緣處出現(xiàn)應(yīng)力的集中點(diǎn)，選擇特征點(diǎn)2 作為支座處的配筋截面，軸力為895 kN；特征點(diǎn)5 為跨中處配筋截面，軸力為490 kN。

表1 800mm 側(cè)墻特征點(diǎn)內(nèi)力值

表2 ①號(hào)隔墻特征點(diǎn)內(nèi)力值

2.3 結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算成果

根據(jù)SAP2000 內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，結(jié)合隔墻的受力特點(diǎn)，選取控制截面進(jìn)行配筋計(jì)算。由計(jì)算的內(nèi)力云圖知800 mm 側(cè)墻、①號(hào)隔墻為受彎構(gòu)件，②～⑤號(hào)隔墻、中隔墻的水平向彎矩M11很小，知該類構(gòu)件為受拉構(gòu)件，按照鋼筋混凝土受拉構(gòu)件的承載力進(jìn)行計(jì)算。依據(jù)《水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 191-2008），利用二次開發(fā)的配筋程序或者Excel 等進(jìn)行配筋計(jì)算。

表3 800mm 側(cè)墻、①號(hào)隔墻配筋計(jì)算成果匯總表

表4 ②～⑤號(hào)隔墻、中隔墻配筋計(jì)算成果匯總表

3 ANSYS 仿真計(jì)算

3.1 模型建立與計(jì)算方法

計(jì)算模型的幾何參數(shù)、所施加的荷載同SAP2000 模型相同，根據(jù)地質(zhì)勘探提供的力學(xué)指標(biāo)，計(jì)算參數(shù)C25 混凝土容重為：25 kN/m3，彈性模量E=2.8×1010Pa，泊松比u=0.167；土體參數(shù)同SAP2000 模型取值相同。網(wǎng)格劃分采用SOLID65 單元。有限元模型見圖11。

圖11 ANSYS 計(jì)算模型

ANSYS 最終計(jì)算結(jié)果為應(yīng)力，故需通過ANSYS 后處理的積分功能逐步操作從而可得到用于配筋的內(nèi)力值。為方便對(duì)比，本文選取了受力較復(fù)雜的800 mm 側(cè)墻和①號(hào)隔墻進(jìn)行了后處理與SAP2000 計(jì)算內(nèi)力配筋進(jìn)行對(duì)比。

3.2 結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算成果

圖12 800mm 側(cè)墻應(yīng)力云圖

圖13 800mm 側(cè)墻應(yīng)力云圖

根據(jù)云圖12、圖13 可知應(yīng)力的大小分布和SAP2000 模型計(jì)算結(jié)果基本一致，故可根據(jù)SAP2000 計(jì)算的應(yīng)力結(jié)果選擇典型截面作為配筋截面，見圖14～圖17。根據(jù)截面的拉應(yīng)力區(qū)圖形面積，計(jì)算出拉應(yīng)力合力，再根據(jù)式（1）計(jì)算鋼筋面積，配筋面積匯總表見表5。

式中：AS為為受拉鋼筋面積，m2；γd為為承載力安全系數(shù)，按規(guī)范取為1.2；T 為拉應(yīng)力的合力；T=Ab，A 為拉應(yīng)力區(qū)面積，b 為截面寬度，取單寬1 m；fy為鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，取360 MPa。

圖14 800mm 側(cè)墻（支座）沿厚度方向應(yīng)力σz（Pa）分布

圖15 800mm 側(cè)墻（支座）沿厚度方向應(yīng)力σy（Pa）分布

圖16 ①號(hào)隔墻（支座）沿厚度方向應(yīng)力σx（Pa）分布

圖17 ①號(hào)隔墻（支座）沿厚度方向應(yīng)力σy（Pa）分布

表5 配筋面積匯總表

4 結(jié)論

本文通過SAP2000 模型對(duì)U 型隔堤建模并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)內(nèi)力配筋的計(jì)算，給出配筋的最終成果。較傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析的方法更加直觀地看出每一道墻的內(nèi)力大小分布情況。本文也通過ANSYS 有限元軟件在相同的各類參數(shù)和所受荷載情況下，進(jìn)行了內(nèi)力的計(jì)算并給出了受力典型的800 mm 側(cè)墻和①號(hào)隔墻的應(yīng)力云圖和配筋面積的成果。針對(duì)本文的計(jì)算結(jié)果，主要有以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）從SAP2000 模型和ANSYS 模型計(jì)算的內(nèi)力云圖和配筋面積看，內(nèi)力云圖的分布規(guī)律近乎一致，計(jì)算的所需配筋面積誤差在10%以內(nèi)，故兩者在計(jì)算該類空箱結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算都具有一定的參考意義，同時(shí)驗(yàn)證了配筋的合理性以及結(jié)構(gòu)的安全性。

（2）由兩種計(jì)算軟件分析的過程來看，SAP2000 在后處理方面要優(yōu)于ANSYS，SAP2000 可直接輸出配筋所需的彎矩和軸力等，且可根據(jù)各節(jié)點(diǎn)的內(nèi)力值大小選擇配筋所需的面積，既滿足了工程的結(jié)構(gòu)安全，又滿足了經(jīng)濟(jì)性的需求。而對(duì)ANSYS軟件，其輸出的結(jié)果為應(yīng)力圖形，需通過積分的方法將其折算成內(nèi)力且和所劃分的網(wǎng)格疏密有較大的關(guān)系，后處理的工作量大，且需要正確、熟練的使用該軟件。

（3）空箱結(jié)構(gòu)因受力性能好的原因，在水利工程、水電工程中都廣泛使用，本文通過SAP2000 軟件將墻體視為厚殼構(gòu)件，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)配筋的計(jì)算，成果為內(nèi)力的云圖，根據(jù)云圖確定配筋的控制截面，從而對(duì)應(yīng)力較大的區(qū)域進(jìn)行鋼筋加密處理，較傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)方法更加直觀且安全經(jīng)濟(jì)，節(jié)省了工程投資，可為該類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。