某圆形水池裂缝控制的Ansys仿真计算和分析.pdf

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第2期
广东土木与建鎖
No
2007年2月
GUANGDONG ARCHITECTURE CIVL ENGINEERING
FEB 2007
某囻形水池裂缝控制的 Ansys仿真计算和分析
陈永新1康澜
(1、广州市自来水工程公司广州510100;2、同济大学建筑工程系上海20002)
摘要:利用 ANSYS有限元软件对预应力圆形水池进行各种工况的数值模拟分析,结果表明底板和顶板对预应
力筋产生的混凝土预压应カ有削弱作用,环向应力和竖向弯短起控制作用,且池壁与底板交接处最易产生裂。
关键词
板置于可压缩的地基上,在用有限元法对底板进行
1工程概况与模型简化
内力分析时一般利用温格尔假定,假定地基每单位
面积上所受的压力与相应的地基沉降量成正比,也
1.1工程概况
即是将地基的作用模拟为一系列的弹簧,弹簧刚度
某容量为5000m3的圆形清水池,设计为埋入式可根据地基的基床系数k确定。本工程水池所处位
结构,内径30m,内壁净高7,5m,池壁厚180mm,其置的地基为中密度砂土,取ん=025N/mm3,底板单
顶板为无粘结预应力双向板,厚160mm,覆土厚度元各节点处弹簧刚度K由基床系数ん与底板单元
0.5m;底板混凝土为C20,厚200m,垫层为C10混受荷面积A的乘积共同决定,即K=kA。
凝土,厚150mm,地基为中密度砂土,水池的平剖面1.3有限元划分
如图1所示。
(1)混凝土有限元划分
选取 ANSYS程序
??
专门面对混凝士材料的
三维实体单元 Solid65
单元来划分池壁、顶
板和底板。池壁厚度方
向划分为2个单元,顶
图1贮水池平面及剖面图
板和底板厚度方向则各
本工程无粘结预应力结构采用BUPC锚固体为1个单元,所有实体田2L三维核型单元
系,为便于池壁环向无粘结预应力筋张拉,在池壁外单元均为六面体。考虑到预应力筋相距300mm,故
圈等距离设置4个扶壁柱,钢绞线布置原则为2:池壁沿高度方向划分成300m长的单元共25个,
①环向预应力筋水平布置为每圈分两段呈180°锚固其有限元模型如图2所示。混凝土的泊松比为0.2,
在相对的两个扶壁柱上;②上下相邻的预应力筋张热膨胀系数为1.0x103,剪力传递系数开裂和闭合
拉端错开90°且均设在扶壁柱上;③钢绞线尽量布置时分别取0.3和05,弹性模量取3.0x10N/mm2,单
在池壁外侧以利于池壁受力,池壁和顶盖预应力筋轴抗拉强度标准值取25N/mm2。考虑其对称性,取
采用f=-1570MPa的15.24无粘结钢铰线,间距为?L进行分析,沿弧长共划分成60个单元。
池壁300m、顶盖600m,O。-0.75e
2)钢绞线有限元划分
1.2模型简化
选择Link8单元为钢绞线单元,每根预应力東
对于圆形水池, ANSYS的分析模型可作如下简915.24,A-139.98m2,弹性模量取20x10NV/mm2
化:①池壁非预应力筋双排水平放置的普通Ⅱ级钢筋热膨胀系数取1.0x105。Link8单元为线单元,有抗
10@200,其等效混凝土面积仅为池壁截面积的4%,拉刚度但无抗弯刚度,对应于池壁沿孤长划分成60
故可略去非预应力筋的作用;②无粘结预应力钢绞个等长的IINK8单元,其节点与混凝土 Solid65单
线的预应力损失偏安全地估算为0.2500;③水池底元节点的空间位置相同。
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2007年2月第2期
陈永新等:某國形水池裂缝控制的Ams8仿真计算和分析
FEB 2007 No.2
(3)弹性地基的弹簧单元
⑤重力+预加应力+土压力+当量温度应力(检修时
对弹性地基的模拟则是采用一系列仅受压不承的荷载组合)
拉的弹簧单元 Combin14,这些弹簧作用在底板单元
划分的节点上,根据该处所承受的受压面积范围来3抗裂控制 ANSYS仿真计算结果及分析
确定。
3.1单个工况的结果分析
2水池荷载
由于篇幅限制,本文仅给出重力场作用下的应
力和应变云图(略)并对其进行分析。
2.1池壁:池壁内侧底水压力标准值75kN/m2;外
(1)重力场:最大环向拉应力0.593MPa位于池
侧顶、底面土压力标准值分别为3.96,48.96kN/
壁外侧两端,最大竖向拉应力1.509MPa出现在池壁
地面活荷载引起的附加侧压力标准值Q0.5kN/m2。
外侧上端,在重力场作用下池壁竖向弯矩作为控制
2.2水池顶板:包括覆士自重和地面活荷载标准值因素,且最大值和最大主应变均出现在该处。
(取15kNm2),取10.5kN/m2;底板上表面水压力标
(2)预应力:最大环向压应力-2.279MPa位于池
准值75kN/m2;水池自重25kN/m2。
壁高度方向的中间部分,水池两端部分环向应力
2.3温度荷载:由于混凝土干缩和混凝土热胀冷缩0.145MPa为拉应力,水池底板和顶板对预应力筋产
都会导致混凝土内部产生应变和应力,因此可以把生的混凝土预压应力有削弱作用。在距离水池池底
混凝士干缩引起的力学结果处理成由收缩当量温差和池壁连接的池壁部分区域已削弱100%以上,这
引起,再把收缩当量温差和真实温度的代数和定义正是导致这两部分容易出现裂缝的重要原因之
作为当量温度,进行应力计算时只需输入当量温度在实际设计过程中,我们往往把底板和水池池壁分
作为温度荷载。混凝土在标准环境下的最终干燥应开考虑和计算,会导致这一部分的计算误差,这是值
变为3.2x104,如直接以弹性模量和热膨胀系数计得注意的问题。而竖向应力就相对复杂,最大竖向拉
算,则其当量温差应为-32℃,而事实上干缩不是在应力位于池壁外侧,最大竖向压应力位于池壁内侧,
混凝土达到设计强度后发生,而是在初凝后就开始说明该处竖向弯矩很大,竖向弯矩起到了控制作用。
发生,此时混凝土弹性模量非常小,可塑性很大,所
(3)温度场:由于该水池埋于地下,故仅考虑中
以混凝土的收缩应力远小于按线弹性方法计算的应面温差,该值很小,温度场不太大,为了给出壁面温
力,合理的等效温度也远小于按线弹性方法计算的差的作用效果,在单工况分析中我们假设壁面温差
等效温度。大体积混凝土收缩变形的等效温度一般为-16℃,计算结果表明其影响远大于中面温差,最
可取-6C12,本工程全部位于地面以下,故可不大环向压应力-0.675MPa位于池壁内侧靠上约L
考虑温度和湿度应力的影响。
处,最大环向压应力0.561MPa位于池壁外侧最上处,
2.4预应力荷载:有3种模拟方式,包括对池壁施最大竖向压应力-1.031MPa位于池壁内侧靠上约
加等效线荷载、对钢筋单元施加预应变和对钢筋单L处,最大竖向拉应力1.281MPa位于池壁外侧靠
元施加温度。其中直接对钢筋单元施加预应变和负上约↓L处,竖向弯矩起到控制作用。
温度得出的混凝士环向应力计算结果相同,等效荷3.2组合工况结果分析
载的换算存在误差,计算结果与其它两种方式有
组合工况1]最大拉应力1.51MPa和最大拉应
定的偏差。本文在分离式模型中均采用直接对钢筋变0.477x104均位于水池顶板与池壁的结合部分,
单元施加预应变的方式来模拟预应力,以避免不必竖向弯矩起到控制