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、万方数据第43卷第17期2012年9月人民长江YangtzeRiverV01．43．No．17Sep．，2012文章编号：1001—4179(2012)17—0021一04有限元法茬燃积混凝土结构配筋计算中的应用刘玲玲1，吴永恒2(I．中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院，云南昆明65005l；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系钢筋混凝土的配筋计算公

2、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。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¨。1。根据《水工混凝土结构设计规范》(sL／T191—96)附录H“非杆件体系钢筋混凝土结

3、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}昆凝土结构，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。≥半㈩式中，T为由荷载设计值计算所得的弹性总拉力，r=A6，其中，A为弹性应力图形中主拉应力区域的总面积，6为结构配筋截面宽度(在此，取单位截面宽度，即6=1．O)；丁，为混凝土承担的拉力，r，=4。，6，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)

4、沆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)中丁，应取零。＼(a)图l按弹性应力图形配筋示意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ANSYS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”“1，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：20L2一03一15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：

5、509425939@qq．com万方数据22人民长江2012年单位宽度结构的弹性总拉力丁。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71∥4。对于闸墩上游墩头等拉应力集中的区域，可在后处理器屯读取受拉区节点总内力。计算弹性总拉磊锄期_则的拉力丁．的应力积分简图见图2、图3，原理如下式7’=6>’A。=6>2(盯。+盯。+．)．sI／2(2)丁。=6≥’．A。=6≥l(盯。。+盯。+．)s。／2(3)式中，A．、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

6、形面积；6为结构单位宽度，取为l；S．为典型断面中相邻两节点的距离(单元长度)；仃。、盯。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。＼、．臁谢触节八图2有限元法弹性应力示意帕点t节点I+I单元长霞(I'】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l158m，其中混凝土坝长838．035m，心墙堆石坝长319．965m。大坝l、2号导流底孔位于22号坝段。孔

7、口均为净过流面6m×15m(宽×高)的方形孔，底板高程l020m。进口设置临时封堵平板门闸室(进水塔)，塔高55m。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月上句，l、2号导流底孑L全部下闸，导流底孔封堵闸门，挡水设计水位1133．2m。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’1J。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』二

8、垂直纵向为横向。模型坐标系原点位于导流底孑L导0+000．000、l020m高程。坐标轴方向，顺水流方向为x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