有限元法在大体积混凝土结构配筋计算中的应用.pdf

第 4 3卷 第 1 7期 2 0 1 2 年 9 月 人 民 长 江 Ya n g t z e Ri v e r Vo1 43 No 1 7 Se p ， 2 01 2 文 章 编 号 ： 1 0 0 14 1 7 9( 2 01 2) 1 70 0 2 10 4 有限元法在大体积混凝土结构配筋计算中的应用 刘 玲 玲 ， 吴 永 恒 ( 1 中国水电顾问集 团 昆明勘测设计研 究院， 云南 昆明 6 5 0 0 5 1 ； 2 国电红河水 电开发有 限公 司， 云南 红河 6 6 1 6 0 0 ) 摘 要 ： 对 于结构 复杂的水工大体积混凝土 ， 无法按 杆件结构 力学法求得截 面 内力来配筋； 而采 用有 限元 法分析 时 ， 直接模拟钢 筋不具可操作性。将有限元法 的应 力积 分得 到的 内力结果应用到非杆 系钢筋混凝 土的 配筋计 算公式 中， 进 而可求 出配筋量。 以观音岩水 电站导 流底孔 坝段及 进水塔结构为例 ， 其整体模 型结构复杂、 体型 较 大、 设计 水头较高 ， 采 用 A N S Y S软件建 立三维有限元模型 ， 并利 用应力计算 结果进行 了高应 力 区的 配筋计 算。计 算过程清晰 、 结果可信度高 ， 供 类似 工程的设计人 员参考和探讨 。 关 键 词 ： 截 面 内力 ； 有 限元 法 ； 配筋计算 ；应力积分 ；大体 积混凝土 中 图 法 分 类 号 ：T V4 3 1 文 献 标 志 码 ：A 1 非杆系钢筋混凝土 配筋计算原理及方法 在水工结构计算 中， 经常碰到非杆件体系混凝 土 结构 的配筋计 算 问题 。 。根 据 水 工 混 凝 土结 构 设 计规范 ( S L T 1 9 1 9 6 ) 附录 H“ 非杆件体系钢筋混 凝 土结构 的 配 筋 计 算 原 则 ” H 0 1的规 定 ： 无 法 按 杆 件结 构力 学方 法求 得 截 面 内力 的钢 筋 混 凝 土 结 构 ， 可 由弹性力 学 分析方 法 或试 验方 法求 得结 构在 弹性 状态 下 的截 面应 力 图形 ， 再 根据 主拉 应力 图形 面 积 ， 确 定配 筋 数量 。依 据规 范 ， 受 拉钢 筋截 面 面积 A 应 满 足 下式 要 求 A 式中， 为 由荷载设计值计算所得的弹性总拉力 ， T= A b ， 其 中 ， A 为 弹 性 应 力 图形 中 主 拉 应 力 区 域 的 总 面 积 ， b 为 结构 配筋 截 面宽 度 ( 在此 ， 取 单 位截 面 宽度 ， 即 b= 1 0 ) ； T o 为混 凝 土承 担 的拉力 ， T =A 。 b ， A 。 为 弹 性应 力 图形 中主拉 应 力值 小于 混凝 土轴 心抗 拉强 度设 计值 的区域 面积 ( 图 1中 的 阴影 部 分 ) ； 为 钢 筋抗 拉强度设计值 ； y 为钢筋混凝土结构的结构系数。 当弹性 应 力 图形 的受拉 区 高度 大于结 构截 面 高度 的 2 3时 ， 式 ( 1 )中 应取 零 。 ( b) 图 1按 弹 性 应 力 图 形 配 筋 示 惹 2 有限元方法应用于 配筋计算原理 采用 大 型通用 有 限元 软 件 A N S Y S中的 结 构 模 块 和各 向同性 线弹性 材 料 本 构模 型 ， 计算 得 到 混 凝 土 结 构内部弹性应力场 。在后处理器 中， 选取高应力区应 力最大断面的典型路径 ， 进行应力路径积分。根 据弹性应力图形拉正压 负的特点 ， 积分 曲线峰值 即为 收 稿 日期 ： 2 0 1 20 31 5 作者简 介 ： 刘玲玲 ， 女 ， 工程 师， 硕士 ， 主要从 事水电工程施工组织设计 工作 。Em a i l ： 5 0 9 4 2 5 9 3 9 q q C O B T 剖上T 2 2 人 民 长 江 单 位宽 度结 构 的弹性 总拉力 。 同理 ， 选 取 应力 小 于材 料 抗拉 强度 的节 点进 行积 分 ， 即 可得 混 凝 土 承担 的弹 性 总拉 力 。 对于 闸墩 上游 墩头 等 拉应 力 集 中 的 区 域 ， 可在 后处 理器 中读取 受拉 区节 点总 内力 。 计算 弹性 总拉 力 r及 混 凝 土 承担 的拉 力 的应 力 积分 简 图见 图 2 、 图 3 ， 原理 如下式 T=b A =b ： ( + ) S i 2 ( 2 ) T=b A =b ： ( + O - + 1 ) S i 2 ( 3 ) 式中， A 、 分别为典型断面中相邻两节点的弹性 主 拉应力 图形 面积 、 应 力值 小 于混 凝 土抗 拉 强 度 的 弹性 主拉应力图形面积； b为结构单位宽度 ， 取为 1 ； S 为典 型断面中相邻两节点的距离 ( 单元长度) ； 、 为 i 节 点 的主拉 应力 、 小 于混 凝 土 轴 心抗 拉 强 度 的 主拉 应 力 、 ( a ) ( b ) 图 2有 限元法弹性应力示意 ( a ) 节点 f 节点i + 1 单元长度 ( b ) 图 3有 限 元 法应 力 路 径积 分 曲 线示 意 3 工程概况 观音岩水 电站为 I等大 ( 一 ) 型工程。枢纽 主要 由挡水 、 泄洪排 沙 、 电站 引水系 统及坝 后厂 房等建 筑物 组成 。拦 河大 坝 由左 岸 、 河 中碾 压混 凝 土 重 力 坝 和右 岸 黏土心 墙 堆石 坝混 合组 成 ， 坝 顶总 长 1 1 5 8 m， 其 中 混凝 土坝 长 8 3 8 0 3 5 1T I ， 心墙堆 石坝 长 3 1 9 9 6 5 m 大坝 1 、 2号 导 流底 孔 位 于 2 2号 坝 段 。孑 L 口均 为 净过 流 面 6 1T I X 1 5 m 宽 高 ) 的 方 形 孔 ， 底 板 高程 1 0 2 0 m。进 口设置 临 时封 堵 平 板 门 闸室 ( 进 水 塔 ) ， 塔 高 5 5 m。出 口由明渠 衔接 。 根 据导截 流规 划 ， 工 程采 用 明渠 分三 期 导 流 的 方 式 。根据 第 三期导 流程 序 安 排 ， 该 工程 计 划 于 开 工第 7年 3月上旬 ， 1 、 2号 导流 底 孔 全 部下 闸 ， 导 流 底孑 L 封 堵 闸 门 ， 挡水设 计水 位 1 1 3 3 2 IT I 。 按底 孔 未 封 堵 时 的 坝 前 最 大 设 计 挡 水 水 头 1 1 3 2 m为最 不利工 况 ， 对 2 2号 坝段 进 行 三 维有 限元 结构分析 ， 并对高应力 区进行结构配筋 。 4 三维有限元计算 4 1 有限元模型 本计算定义 ： 沿导流底孔轴线方向为纵向， 垂直水 平 面方 向为垂 向 ， 水 平 面 上垂 直 纵 向为横 向 。模 型坐 标 系原点位 于导 流底孔 导 0+ 0 0 0 0 0 0、 1 0 2 0 m高 程 。 坐标 轴方 向 ， 顺 水 流 方 向为 轴 正 向 ， 即 纵 向指 向下 游侧 ； 垂直 向上 为 y轴正 向 ； 按 右手 螺旋定 则 确定 z轴 正 向 ， 即横 向指 向右 岸侧 。有 限元 模 型 及 单 元划 分 情 况见 图 4 。 采 用 s o l i d 4 5单元 ( 等 参 8节 点六 面 体 单 元 ) 对 几 何模 型进行 有 限元 剖分 ， 整个 模型共 划分 单元 2 6 1 0 7 6 个、 节点 2 8 8 0 2 3个 。 ( a ) 上游恻视 ( b ) 下游俯侧视 图 4 有 限 元模 型 T 上T 积 混 凝土 结 构 配 竺 二： 二 二 郎 榻 计 力 设 玉 度 下 强 姆 珊 堵 作 封 压材 莅 水于 2 4 人 民 长 江 2 0 1 2年 游转角处 ， 表现为高应力集 中； 导流底孔出 口压坡 段； 坝身与进水塔交接面( 导 0+ 0 0 0 0 0 0 ) 处。 根据规范 ， 需对以上高应力区进行配筋计算 ， 具体 计 算 步骤见 表 1 ， 表 1 未 给 出配筋 的部位 ， 是 根 据 应力 计算结果不需要配置受力钢筋的部位 ， 但为满足构造 及温控等 相关 要求 ， 并参 考类 似工程 配设 钢筋 - 3 3 。 5 结 论 有 限元后 处理器 可 以快 捷 、 方 便 地读 取 节 点 路径 应 力积分 曲线 和断 面 内力 ， 将 此 内力 值应 用 到 非 杆 系 钢筋混凝土的配筋计算公式 ， 进而求 出配筋量 ， 为形状 复 杂 的大体 积混凝 土 结 构提 供 了一 种精 确 、 可 操 作 的 配 筋计算 方 法 。有 限元 法前处 理可 以精 确模拟 结构 的 三维体型、 材料本构 、 边界条件及约束等， 相 比结构力 学法和其他平面计算方法更合理、 可信。 参考 文献 ： 1 夏传星， 王志宏 ， 江义兰 构皮滩泄洪洞工作 闸室三维有限元 分析 J 人 民长江， 2 0 0 9 ， 4 0 ( 2 3 ) ： 3 4 3 5 2 张建华， 赵四新 ， 李沐春 水 闸闸墩钢 筋插入底板深度研 究 J 人 民长 江 ， 2 0 1 0 ， 4 1 ( 3 ) ： 6 4 6 6 3 汪基伟 ， 钮新 强， 杨本华 三峡升船机 上 闸首结构 配筋方 案研 究 J 人民长江， 2 0 0 1 ， 3 2 ( 1 1 ) ： 81 O 4 李传才 水工钢 筋混凝土结构( 2 0 0 1年 1 O月第一版 ) M 武 汉： 武汉 大学 出版社 ， 2 0 0 1 5 孔令超 G 积分理论求解应力强度 因子及有 限元 法验证 J 机 械 强度 ， 2 0 0 8 ， 3 0 ( 1 ) ： 2 3 6 米红林 ， 瞿志豪， 陆鹏 光弹性法和有限元法对应 力强度 因子的求 解 J 机械 强度 ， 2 0 1 0， 3 2 ( 2 ) ： 3 4 ( 编 辑 ： 郑 毅 ) Ap pl i c a t i o n o f FEM i n r e i nf o r c e m e nt c a l c ul a t i o n o f m a s s c o n c r e t e s t r uc t ur e L I U Li n g l i n g W U Yo n g he n g ( 1 Hy d r o c h i n a Ku n mi n g E n g i n e e r i n g C o r p o r a t i o n， Ku n mi n g 6 5 0 0 5 1 ， C h i n a； 2 Gu o d i a n Ho n g h e R i v e r H y d r o p o w e r De v e l o p me n t C o ， L t d ， Ho n g h e 6 6 1 6 0 0， C h i n a ) Abs t r a c t ： Fo r t h e ma s s c o n c r e t e i n c o mpl e x h y dr a ul i c s t r uc t u r e，i t i s i mp o s s i bl e t o o bt a i n t h e r e i nf o r c e me n t t h r o ug h s e c t i o n a l i n t e r na l f o r c e by f r a me s t r uc t u r a l me c h a n i c s a n d n o t o pe r a bl e t o di r e c t l y s i mul a t e t h e r e i n f o r c e me n t b y FEMWe us e s t r es s i n t e g r a t i o n b y FEM t o c a l c u l a t e t he i n t e r n a l f o r c e a nd a p pl y i t i n t o r e i n f o r c e me n t f o r mul a o f n o nfla me s t r uc t u r eTa k i n g t he wa t er d i v e r s i o n t u n ne l a n d wa t e r i n t a ke s t r u c t u r e s o f Gu an y i n y a n Hy dr o po we r S t a t i o n a s a n e x a mpl e，whi c h i s c h a r a c t e r i z e d b y c o mp l e x s t ru c t u r e，l a r g e s c a l e a nd hi g h de s i g n wa t e r he a d，we e s t a bl i s h a 3 D FEM mo d e l o f t h e s t ruc t ur e s b y ANS YS a n d c o n du c t r e i n f o r c e me n t c a l c u l a t i o n u s i n g t h e pr o po s e d f o r mu l a Th e a n a l y s i s p r o c e s s h a s t h e a dv a nt a g e s o f c l e a r i d e a s a nd hi g h c r e di bi l i t y K e y w o r d s： s e c t i o na l i n t e r na l f o r c e； F EM ；r e i nf o r c e me n t c a l c u l a t i o n；s t r e s s i n t e g r a t i o n；ma s s c o n c r e t e 简 讯 长 江 流 域 片 第 一 次 全 国 水 利 普 查 数 据 成 果 审 核 汇 总 工 作 交 流 会 召 开 2 0 1 2年 8月 l O1 4日， 长江水 利委 员会 全 国水利 普查 办 在湖北省十堰市 召开 了长江流 域片 第一次全 国水 利普 查数 据 成 果 审 核 汇总 工 作 交 流 会 。 长江委普查办 常务 副主任李 胜常介 绍 了长 江委对 长 江流 域 片水利普查 数据成果 审核 情况、 流域 片初步 汇总数据 以及下 一 步 汇总工作 安排。对水 利 工程、 经济 社会 用水 、 河 湖开 发治 理 ( 河湖取水 13、 河湖 治理 、 入 河 湖排 污 口) 、 水利 行 业能 力建 设 、 灌 区专项 、 地 下水取 水井 专项 、 数据 处理 等 7个专 业， 我委 审核 技术人员分别介绍 了各 专业审核 的主要方 法、 发 现的主要 问题 、 主要意 见及整 改要求 、 下一步专业汇总工作设 想等。 自2 0 1 2年年 初 以来 ， 按照 国普办的统一领导和部 署 ， 在长 江委水利普查领导小组 的正确领 导下 ， 在 长江委各 有关部 门和 各二级 责任单位 的全 力支持 下， 长江 委普查 办组 织委 内有关技 术人 员， 扎实做好长江流域片水利普查 数据成果 审核各 项基础 准备 工作 ， 主动开展长江流域片 内各地水利 普查 数据省级 审核 情况调研 ， 认真做好长江流域片水利普查 数据成果 审核技 术准 备， 对长江流域片 内 1 9个省(自治 区、 直辖市 ) 水利普 查办报送 的水利工程、 经 济社 会 用水 、 河湖 开发 治 理、 水 利行 业 能 力建 设 、 灌 区专项 、 地下水取水 井专项 、 数据 处理等专 业数据 成果进 行 了认真 、 全面 的审核， 向国普 办和 相关 省陆续 发送 了审核 意 见 ， 基本 完成 了长江流域 片水利普查数据成果审核工作。 流域片 内 1 8个省 ( 自治 区、 直辖 市) 普 查办 负责人介 绍 了 各省开展 国家级 审核意见 的整 改的组 织、 进 展 情况 、 主 要 困难 和 问题 ， 交流 了整改工作 经验 ， 并纷 纷表 示 一定 要按 照国务 院 水利普查办、 长江委 普查 办提 出的审核 意见 和统 一要 求， 采 取 有效措施， 一鼓作气 ， 认 真做好复 核和修 改完善工 作， 确保 水利 普查数据成果质量， 尽快报送最终数据成果。 ( 长江 )