渡槽有限元模型建立研究

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1、渡槽有限元模型建立研究本文主要从渡槽的物理模型、有限元模型、预应力钢绞线的模拟几个方面论述有限元模型的建立过程。文中所提到的整体模型分割化的思想、有限元X格划分技术是有限元分析中的重要技术环节，关系到后继的静动力分析能否成功进行；预应力钢绞线的模拟解决了目前弯曲预应力钢筋有限元计算中存在的技术难题，同时从理论上给出了类似问题的解决思路，对于实际工程具有较大的参考价值。关键词：物理模型、有限元模型、预应力钢绞线模拟1.1物理及有限元模型的建立　　在以往的水工结构分析中，经常采用房屋建筑学中梁、柱和板壳等一维或二维构件作为设计中力学分析的依据，造成了较大的误差，这种

2、误差有时甚至会造成结构的失效或材料的严重浪费。物理模型建立过程中，首先要解决的一个问题是如何最大限度的模拟结构本来的受力状态。这一问题其实也是如何选取合适单元类型的问题。关于单元类型的选择，主要考虑以下几个方面：　　(1)结构类型。一般来说，对于块、体结构采用solid单元模拟；对于板、壳结构特征明显的结构，采用shell单元模拟；对于杆系结构，则采用link或beam单元模拟。　　(2)结构应力、应变的特点。对于堤、坝等建筑物，根据其应力应变的特点，可以将其简化为平面应变问题分析；另外有一类特殊的空间问题-轴对称问题，其实质是二维问题，这时可考虑采用plane

3、单元模拟。　　(3)结构约束条件与受力状态。以上面提到的轴对称结构为例，不仅几何上需要轴对称，荷载分布也必须轴对称才满足简化条件。　　(4)计算精度要求。我们可以根据计算精度及结构边界形状拟合精度的要求，选择采用线性单元或高次单元。以plane单元为例，有线性plane单元及二次plane单元，其中二次plane单元由于具有二次插值函数，更适合于边界形状不规则问题的X格划分。　　本文所作的大型渡槽结构，其空间受力特性显著，在建模的前期工作中，考虑到预应力筋的施加及计算规模的限制，混凝土的模拟采用了一次六面体等参单元，钢筋采用空间杆单元模拟。在建立物理模型的过程中

4、，整体模型分割化的思想贯穿了建模的全过程。混凝土加载试验中，试块的形状为立方体状，大小为150mm×150mm×150mm，为使划分X格后单元形状及大小接近或达到试块标准，需人为控制X格划分的质量。对于形状不规则的几何体，X格划分很难控制，往往得不到我们想要的效果。整体模型分割化的思想是将复杂的几何体分割成简单、规则的几何体的叠加，通过共用面实现各相邻小几何体间的连接。整体模型的分割主要应从便于X格划分及便于施加预应力筋两个方面加以考虑。以下就这两个方面分别进行介绍。　　对于有限元分析来说，X格质量影响着整个计算的精度，对于有严重畸变的X格结构，甚至会得到错误的

5、结果。整体模型分割的好坏直接影响有限元分析的精度。　　如图(2-1)所示为洺河渡槽的实体模型，该渡槽为三向预应力结构，在渡槽的四面侧墙中设有弧形预应力钢绞线，底板及纵梁亦设有预应力筋，预应力对结构静力及动力作用的影响不容忽视。划分X格后在待施加预应力筋的侧墙中心部位形成一个节点平面，为后继施加预应力钢绞线做好铺垫。图2-1洺河渡槽实体模型图2-2分割后侧墙X格划分结果如图(2-1)所示为洺河渡槽的实体模型，从图中可以看出，该渡槽大体上是由纵梁、横梁、侧墙、底板组成，在底板与侧墙的交接部位设置倒角，以防应力集中现象产生。在进行这样一个复杂结构的X格划分时，首先要进

6、行分割，按照上文提到的两个原则——便于X格划分和便于施加预应力筋的原则，对于侧墙考虑到预应力钢绞线的施加，用上文所述的线控法进行线划分控制，从而控制X格结构（图2-2）；在横梁与底板交接部位形状较复杂，X格划分较难控制，为了得到整齐规则质量较高的X格结构，需在每一根横梁的左右进行切割，将其单独分为一个结构，再用体扫掠的方法依次划分。在此需要注意的是，体扫掠X格时，必需从一个方向向另一个方向单向扫掠，整体渡槽有限元X格划分完成后如图(2-3)所示。图2-7洺河渡槽整体有限元模型1.2预应力钢绞线的模拟　　在渡槽的整体结构分析中，预应力钢绞线起着关键作用，如何对预应

7、力钢绞线进行精确模拟也是本文研究的一个重点。目前，在用有限元法进行结构分析时，常用的预应力模拟方法有以下几种：　　(1)温降法　　温降法是分离式钢筋混凝土有限元模型中的一种，它是通过将钢筋和混凝土分开建模，然后赋予钢筋和混凝土不同的温度，从而在钢筋的变形过程中，受到混凝土的限制产生温度应力。这种温度应力可以作为钢绞线的预应力施加在结构上。　　(2)等效荷载法　　等效荷载法顾名思义是将预应力的作用转化为与其等效的荷载施加在结构上。该方法的一个突出优点是建模较简单，不必考虑X格划分过程中生成节点的位置，对X格划分要求较低。但该法与温降法有一个共同的难以克服的缺点，即

8、在结构受力变形过程中，忽