有限元法在大体积混凝土结构配筋计算中的应用

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1、第43卷第17期人民长江Vo1．43．No．172012年9月YangtzeRiverSep．，2012文章编号：1001—4179(2012)17—0021—04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650051；2．国电红河水电开发有限公司，云南红河661600)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

2、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ANSYS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。T●剖●上T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：TV431文献标志码：A1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

3、构设计规范》(SL／T191—96)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≥㈩(b)式中，为由荷载设计值计算所得的弹性总拉力，T=Ab，其中，A为弹性应力图形中主拉应力区域的总面图1按弹性应力图形配筋示惹积，b为结构配筋截面宽度(在此，取单位截面宽度，即2有限元方法应用于配筋计

4、算原理b=1．0)；To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采用大型通用有限元软件ANSYS中的结构模块计值的区域面积(图1中的阴影部分)；为钢筋抗和各向同性线弹性材料本构模型，计算得到混凝土结拉强度设计值；y为钢筋混凝土结构的结构系数。构内部弹性应力场。在后处理器中，选取高应力区应当弹性应力图形的受拉区高度大于结构截面高度力最大断面的典型路径，进行应力路径积分。根的2／3时，式(1)中应取零。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

5、012—03—15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。E—mail：509425939@qq．COB22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3工程概况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T●上观音岩水电站为TI等大(一)型工程。枢纽主要域，可在后处理器中读取受拉区节点总内力。由挡水、泄洪排沙、电站引水系统及坝后厂房等建筑物计算弹性总拉力r及混凝土承担的拉力的应组成。拦河大坝由左岸、河中碾压混凝土重力

6、坝和右力积分简图见图2、图3，原理如下式岸黏土心墙堆石坝混合组成，坝顶总长1158m，其中T=bA=b：(+⋯)Si／2(2)混凝土坝长838．0351TI，心墙堆石坝长319．965m大坝1、2号导流底孔位于22号坝段。孑L口均为T=bA=b：(+O-+1)Si／2(3)净过流面61TIX15m(宽×高)的方形孔，底板高程式中，A、分别为典型断面中相邻两节点的弹性主1020m。进口设置临时封堵平板门闸室(进水塔)，拉应力图形面积、应力值小于混凝土抗拉强度的弹性塔高55m。出口由明渠衔接。主拉应力图形

7、面积；b为结构单位宽度，取为1；S为典根据导截流规划，工程采用明渠分三期导流的方型断面中相邻两节点的距离(单元长度)；、为i式。根据第三期导流程序安排，该工程计划于开工第节点的主拉应力、小于混凝土轴心抗拉强度的主拉应7年3月上旬，1、2号导流底孔全部下闸，导流底孑L封力堵闸门，挡水设计水位1133．2ITI。、按底孔未封堵时的坝前最大设计挡水水头＼113．2m为最不利工况，对22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(a)本计算定义：沿导流底孔轴线方

8、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+000．000、1020m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(b)况见图4。图2有限元法弹性应力示意采用solid45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261076个、节点288023个。(a)节点f节点i+1单元长度(b