基于ANSYS二次开发的地下沉砂池配筋研究.pdf

人民黄河YELLOWRIVER第45卷S12023年6月Vol.45，Sup.1Jun.，2023基于ANSYS二次开发的地下沉砂池配筋研究朱宝莲1，2，费文平1，2（1.四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 610065；2.四川大学 水利水电学院，四川 成都 610065）摘要：地下沉砂池承受山岩压力、水压力以及衬砌自重等作用，并受到复杂地质条件的影响，需要配筋来承担拉应力。基于ANSYS二次开发，通过一个简支梁的算例，与规范公式法的配筋结果对比分析，论证了基于有限元的配筋法的合理性和可行性，然后将该方法推广运用于某水电站地下沉砂池复杂结构的衬砌配筋中。研究成果表明，基于有限元的配筋法能解决复杂荷载条件下不规则大体积混凝土的配筋问题。关键词：地下沉砂池；水工隧洞；衬砌；ANSYS；二次开发中图分类号：TV22文献标志码：Adoi：10.3969/j.issn.1000-1379.2023.S1.047收稿日期：2022-10-27作者简介：朱宝莲（1992），女，四川自贡人，硕士研究生，研究方向为水工结构工程通信作者：费文平（1972），男，四川成都人，副教授，博士，研究方向为水工结构数值模拟、现场检测和室内研究E-mail：在水电资源开发中，水工引水隧洞应用广泛，而采用何种衬砌形式及配筋量决定隧洞工程的投资和工期，对水电站的经济效益和运行安全有着直接影响。某水电站引水隧洞内布置两个平行地下沉砂池，根据 水工隧洞设计规范（NB/T103912020），通常采用“边值法”计算非圆形有压隧洞衬砌的内力和配筋，对于多条平行布置的隧洞，宜采用有限元方法计算1。然而，求解体型较复杂的水工隧洞衬砌配筋时，“边值法”需要简化体型2。近年来，随着有限元法的发展，利用有限元软件ANSYS建立衬砌与围岩的数值计算模型，进而分析衬砌的受力状态及应力分布已被广泛采用。董正中等3-5基于ANSYS分析结果，利用应力图形法配筋，经实际工程验算表明该方法具有较高的精度。刘玲玲等6-7提出有限元后处理器可以读取节点路径应力积分曲线和断面内力，进而求出配筋量，为形状复杂的大体积混凝土提供了一种高效、精确的配筋计算方法。某水电站沉砂池埋藏较深，尺寸较长，断面采用渐变的马蹄形断面，受力条件复杂，为保证其安全运行，需要对衬砌进行配筋设计。本文利用有限元软件ANSYS建立简支梁的数值计算模型，对计算出的应力结果采用路径操作直接输出单元内力，进而计算出配筋量，并论证了此方法的可行性和合理性，为该水电站地下沉砂池配筋设计提供依据。1基于有限元配筋法的算例分析某露天矩形简支梁（5级水工建筑物）宽200 mm，梁高400mm，跨度4 000 mm，采用C25混凝土及HRB400钢筋，在其表面施加100 kPa的一般可变荷载，其材料参数见表1。下面按照 水工混凝土设计规范（DL/T 50572009）8（以下简称规范）和ANSYS分别计算矩形简支梁梁跨中截面所需的纵向钢筋截面面积。1.1基于规范的配筋法根据规范，单筋矩形截面构件正截面受弯承载力按式（1）和式（2）计算。dMDMu=fcbx（h0-x2）（1）fcbx=fyAs（2）式中：d为结构系数；MD为弯矩设计值，kNm；Mu为截面极限弯矩值，kN m；fc为混凝土轴心抗压强度设计值，N/mm2；fy为钢筋抗拉强度设计值，N/mm2；b为矩形截面宽度，mm；h0为截面有效高度，mm；As为受拉区纵向钢筋截面面积，mm2。根据式（1）和式（2）可计算出所需钢筋面积为537 mm2。1.2基于有限元的配筋法根据规范的相关要求，结合ANSYS的自身特点，对ANSYS计算出的结果应用弹性应力图形法得出配筋面积，有关公式如下：AsdT-0.6Tcfy（3）式中：d为结构系数，钢筋混凝土结构取为1.2；T为由荷载设计值计算出的主拉应力在配筋方向上形成的总拉力；Tc为混凝土承担的拉力；fy为钢筋抗拉强度设计值，HRB400级钢筋取为360 N/mm2；As为计算的钢筋截面积。基于ANSYS的矩形简支梁有限元配筋方法具体步骤如下。（1）建立有限元模型。本文采用Solid45实体单元模拟矩形简支梁。（2）加载计算。根据规范要求，施加表面荷载，继而施加边界条件后进行有限元计算，得到应力成果。加载计算后，得到其主拉应力分布。简支梁拉应力最大值为8 220 kPa，出现在跨中底部边缘部位。（3）后处理。根据应力分布状况，选择一个最不利断面（也可以选择多个不利断面），以该断面的应力成果进行配筋。由于不能直接得到其断面拉力值，因此需要进行二次开发工作。具体的实现方法如下：首先定义路径（PATH），为方便配筋计算，在ANSYS中沿着简支梁最不利断面定义路径。其次将最不利断面的应力值映射至该路径，简支梁最不利断面的应力值沿着该路径映射后的具体图形如图1（其中：拉应力符号为正，压应力符号为负）。最后对应力沿路径进行积分运算，根据弹性应力图形配筋基本理论，可由图2得出简支梁所取截面主拉应力在配筋方向投影后的应力图形总面积为819 910 N/m2。根据式（3）可计算出简支梁纵向配筋面积为540 mm2。材料名称C25混凝土钢筋容重/（kN m-3）25.0弹性模量/GPa28.0泊松比0.167抗压强度/MPa11.9抗拉强度/MPa1.27360表1简支梁材料参数图1简支梁控制截面正应力图形 92人 民 黄 河2023年S11.3小结对比可知，若将基于单筋矩形截面构件正截面受弯承载力的“公式法”计算得到的配筋面积视为真值，则基于ANSYS有限元配筋法所得的配筋面积相对误差只有0.56%。因此，有限元配筋法可以应用于实际的工程之中。2工程实例分析某水电站引水隧洞全长4 665.4 m，引水隧洞内布置两个平行的地下沉砂池（下文简称沉砂池），为定期冲洗式有压沉砂池。取桩号（T）0+432.10至（T）0+580.10段为有限元分析模型，根据沉砂池的三维应力分布规律和变形特征，提出合理的结构设计和配筋建议，确保工程的安全。沉砂池断面为马蹄型，采用渐变断面。沉砂池拟采用钢筋混凝土衬砌，混凝土等级为C25，衬砌厚度为60 cm，总长148.0 m，钢筋采用FE500型螺纹钢筋。三维有限元模型所取的计算范围为上边界至地表面，下边界取至高程3 307.45 m处，左边界为沉砂池桩号（T）0+432.10处，右边界为沉砂池桩号（T）0+580.10处。围岩、混凝土近似假定为各向同性、均匀连续的弹性体。混凝土衬砌假定为不透水体，内水压力、外水压力及灌浆压力荷载均作用在过流面上。在三维有限元计算立体模型中，采用六面体单元，沉砂池和围岩模型共85 797个单元、63 466个节点，其中沉砂池模型共4992个单元、6 478个节点。计算时，将模型的四周地基面和底部施加对称约束。计算参数见表2，计算工况见表3。加载计算后，可以得出以下3个结论：（1）在施工工况下，衬砌绝大部分处于压应力状态。衬砌最大拉应力值为0.2 MPa，主要分布在衬砌外侧中间部位；最大压应力值为1.76 MPa，主要分布在衬砌底部末端部位。（2）在运行工况下，衬砌绝大部分部分处于拉应力状态。衬砌最大拉应力值为1.09 MPa，主要分布在衬砌底部末端部位；最大压应力值为0.32 MPa，主要分布在衬砌外侧中间部位。（3）在检修工况下，衬砌绝大部分处于压应力状态。衬砌最大拉应力值为0.08 MPa，主要分布在衬砌外侧中间部位；最大压应力值为0.69 MPa，主要分布在衬砌底部末端部位。可以看出，在正常运行工况下，衬砌的应力值较大，故选择工况2为最不利工况，其主拉应力分布如图3所示。将衬砌底部截面选为配筋控制截面，沿衬砌厚度方向定义路径，路径长度为60 cm，取单位长度（1 m）的衬砌截面进行配筋，采用前述的有限元法进行配筋计算，得到控制断面上的拉力为327.9 kN，计算出所需的钢筋面积为1 562 mm2，同时根据最小配筋率以及构造要求，选用5根20的钢筋，实际配筋面积为1 570 mm2。3结语（1）ANSYS中solid45实体单元只能输出单元应力，不能直接输出单元内力，为了更加快捷、方便地读取节点路径应力积分曲线和断面内力，需要进行二次开发工作。本文提出了基于ANSYS得出的应力结果，采用后处理器中的路径操作功能，将应力映射至路径上，并对路径结果进行积分运算，进而获得计算所需的结果。（2）通过简支梁这一算例，比较了基于规范的配筋结果和基于有限元的配筋结果，发现两者的配筋结果比较接近，论证了基于ANSYS二次开发的有限元配筋法的合理性，表明该方法可以用于实际工程的配筋设计中。（3）将基于ANSYS二次开发的有限元配筋法应用到某水电站埋藏较深、受力条件复杂、渐变马蹄形断面的沉砂池衬砌配筋设计中，结果表明衬砌结构配筋结果与类似工程基本一致，可以为不规则大体积混凝土工程的配筋设计提供参考。参考文献：1 国家能源局.水工隧洞设计规范：NB/T 103912020 S.北京：中国水利水电出版社，2020：24.2 赵茜瑶，杨凡.水工隧洞复杂体型衬砌结构配筋计算研究 J.水利水电工程设计，2017，36（4）：16-18，22.3 董正中，肖明，杨莹.复杂隧洞衬砌结构的三维有限元分析及结构配筋 J.中国农村水利水电，2016（1）：109-113.4 潘凡.基于有限元的弹性应力配筋法在复杂结构设计中的应用 J.交通科技，2018（1）：28-30.5 黄博豪，彭扬平，杨新军，等.非线性有限单元法配筋系统及其在水利工程中应用的研究 J.人民珠江，2017，38（11）：72-76.6 刘玲玲，吴永恒.有限元法在大体积混凝土结构配筋计算中的应用 J.人民长江，2012，43（17）：21-24.7 邵潮鑫，沈振中.基于ANSYS的隧洞衬砌有限元分析配筋法研究 J.南水北调与水利科技，2014，12（4）：116-119.8 国家能源局.水工混凝土设计规范：DL/T 50572009 S.北京：中国电力出版社，2009：52，221-222.【责任编辑张帅】表3工况及荷载组合工况123工况说明施工工况运行工况检修工况荷载组合衬砌自重山岩压力外水压力内水压力灌浆压力材料名称C25混凝土类围岩类围岩容重/（kN m-3）25.023262627弹性模量/GPa28.01.55.05.010.0泊松比0.170.300.330.250.28摩擦系数0.50.80.91.1抗压强度/MPa11.90抗拉强度/MPa1.27表2沉砂池及围岩材料参数图3水电站沉砂池衬砌主拉应力分布（单位：Pa）图2应力沿路径积分结果 93