1、1格构梁的 ANSYS 有限元模拟分析实例运用摘要:本文通过一工程实例运用 ansys 模拟计算。针对格构梁的研究，合理地简化模型，取出 1.5 米宽的土体、梁和面层单元，两边加对称约束，从而达到模拟空间结构梁的目的。本文还模拟了基坑的开挖过程的时空效应，共分七步，土体在自重应力作用下的沉降为第一步，梁与面层的激活、力的施加和土层杀死共分六步。梁的最大受力状态并不发生在最后一步完成后，而是在第六工况。 关键词:格构梁 有限元分析 模拟分析 中图分类号：K826.16 文献标识码：A 文章编号： 1 土体、梁、锚索和混凝土面层共同作用 基坑支护的受力机理是土体的土压力作用在格构梁和混凝土面层上，
2、混凝土面层的力传递到格构梁上，格构梁再把它受到的力传递到和它相连的锚索上，锚索则和被支护土体嵌固为一体，格构梁和混凝土面层除起到承受土压力外，格构梁还起到平均弯矩和变形的作用，喷射混凝土面层则有保护土体表面，防止土体表面非格构梁作用部位坍塌的作用。 2 模型简化及技术处理 根据基坑开挖深度，根据实际的土体性质建立土体模型。格构梁的作用是承受弯矩的，可以选用 Beam4 梁单元，考虑到钢筋混凝土格构梁中有钢筋的作用，其弹性模量、泊松比等设置有所调整。在建模时，如果混凝土面层的长宽与厚度的比都大于 5，所以在有限元分析中采用板壳2单元可以全面地反映其变形特征和应力分布规律。混凝土面层用 Shell
3、63单元模拟，其参数的取值和梁单元相同。 由于格构梁的受力性状，锚索的模拟对格构梁的受力影响较小，本模型忽略考虑锚索的模拟。预应力锚索的作用简化为作用在纵横梁交点处的集中力。 对于格构梁和土体、混凝面层之间的接触，模型采用节点耦合，以实现共同变形和受力。 3.1ANSYS 有限元模拟计算 3.1.1 模型的参数 1土体的参数见下表： 表 1 土体参数 2混凝土面层的参数： 弹性模量：2.551011 泊松比：0.3 天然容重：25000 面层厚度：h=0.1m 3梁的参数： 弹性模量：2.551011 泊松比：0.3 天然容重：25000 梁高：h=0.3m 梁宽：b=0.3m 截面积：9.0
4、10 3.1.2 土体分工况开挖模拟 1目的：在施工过程中，土层分步开挖，分层设置锚索格构梁、分段施工进行，最终施加锚拉力。本工程施工难度大，四周都是重要建筑3物，为防止土体向坑内倾斜，要求预应力锁定值达到设计值。在施工过程中格构梁的受力是变化的，最终施工完毕时的受力状态并不一定是最危险的状态，因此需要模拟基坑的开挖过程。 2技术控制：模型的单元划分基本上都用了手动控制，从而使单元形状比较规则，单元大小合适，便于分步开挖控制。为便于分析，支护单元和土体取 1.5m 宽，两侧加对称荷载，以保证分析的部分处在整个空间梁系中，底面加全部约束，平行于开挖面的两侧只加 x 方向约束。模拟过程分七步，考虑
5、到锚杆打入土体后不能马上施加预应力，待混凝土的粘结强度达 80%时才能施加张拉力，再为了施工方便，每个工况在对锚索施加预应力时，土体开挖深度至锚索下 1.0 米位置。具体工作见表 3-3。 表有限元模拟工况表 整个模型离散化为 10625 个单元、13565 个节点。其中包括：10440个 Solid45 单元、56 个 Beam4 单元、129 个 Shell63 单元。 3.1.3 模拟计算结果及分析 3.1.3.1 位移等值线分析 第一工况是土体在自重应力作用下的沉降，最小沉降量在最下层土体为 3.877 mm，最大沉降量在最上层土体为 34.891 mm。 第二工况：开挖掉第一层土体后
6、，基坑侧土体由于卸载作用，坑底的土体的沉降变小，同时由于基坑边上地表施工荷载 20kPa 的作用，整4体的竖向沉降变大，底部最小沉降值为 4.907 mm，顶部最大值变为44.167 mm。边坡土体由于面层和梁的加固作用，沉降比同层土体小。 3.1.3.2 格构梁的内力研究 本文主要工作是研究梁的内力变化，为比较在开挖过程中梁的受力状态，现用梁的弯矩图显示各工况下梁的弯矩值，根据数据文件的弯矩值找出梁的最危险受力状态。 图 1 各开挖工况下梁的弯矩 计算结果分析： （1）第二工况最大弯矩值为 24.507 kN.m，发生在开挖深度 2.5m 处。以后各工况的最大弯矩值分别为 23.87 kN.
7、m、27.245 kN.m、27.563 kN.m、27.759kN.m、27.746 kN.m，都发生在开挖深度 2.5m 处。 （2）梁每个点的弯矩值都随着开挖在变化。梁的弯矩在开挖深度 5m以内的变化值很小，从 5m 到 9m 之间梁弯矩随开挖深度的增加变化起伏明显，从 9m 之后梁弯矩的波动变大，如 12.5m 处的梁弯矩从-18.371 kN.m变化到 7.426 kN.m，从负值变化到正值。因此在对格构梁进行设计时考虑开挖的动态过程是非常有必要的。而且从图中还可以发现一个规律：基床系数越大，在开挖过程中梁弯矩的变化幅值越大。 （3）开挖到第六工况时梁的正弯矩值最大，而不是最终开挖完
8、毕后的值最大，但是差别很小，在 0.5%以内。因此梁的设计可根据第七工况的受力状态进行设计。 5（4）8m 以下是中强风化岩层，图 1 可以看出基坑开挖到该层上后，从第五工况往后，每段梁施工完毕时梁的下端的负弯矩都比较大，但当下一段梁施工完后，上一段梁的弯矩值又变小。从第七工况弯矩图可以看出：基床系数越小，力作用的位置处梁的弯矩值越大，最大值点在填土层上，此处和第三章第一个例题得出的结论相似。 4 小结 本文选取了一个工程实例介绍了格构梁现场监测的方法及内容，同时本文简单介绍了 ANSYS 软件的功能、常用的屈服准则和本文所用的单元类型。针对格构梁的研究，合理地简化模型，取出 1.5 米宽的土
9、体、梁和面层单元，两边加对称约束，从而达到模拟空间结构梁的目的。模拟计算过程中略去了锚索单元的模拟，把锚拉力以集中力的形式加在格构梁上，对于本文的研究对象格构梁的受力情况没有影响。 本文还模拟了基坑的开挖过程的时空效应，共分七步，土体在自重应力作用下的沉降为第一步，梁与面层的激活、力的施加和土层杀死共分六步。绘制并分析了各开挖工况的 y、x 方向的位移等值线图，纵梁的弯矩图。 梁的最大受力状态并不发生在最后一步完成后，而是在第六工况。对于每一段梁，在基坑开挖过程中的数值都在变化，梁的弯矩是不断变化的，最终的数值不一定是最大的，有的梁段变化幅值很大，甚至从正值变成负值。 对于梁的设计，我们从施工方便、经济效益方面考虑，一根纵梁最好都采用一种配筋方式，因此我们寻找弯矩值最大的梁段作为设计参考6值。 参考文献 1 陈精，蔡国忠电脑辅助工程分析 ANSYS 使用指南M北京：中国铁道出版，2001， 12, 104106 2 郝文化ANSYS 土木工程应用实例M北京：中国水利水电出版社，2005 3 李权ANSYS 在土木工程中的应用M北京：人民邮电出版社，2005
