钢筋混凝土倒虹吸管结构有限元分析
钢筋混凝土倒虹吸管纵向裂缝原因分析及处理措施
湖南水利水电｝ ０ ７ ２ ０ 年第 ４期
余莘 子
（ 南省水 利水 电科 学研 究所 长 沙 市 湖 ４０ ０ ） １ ０ ７
【 摘
要】 钢筋混凝土倒虹吸管出现纵向裂缝的现象是十分普遍的 ． 据对 １ ０处工程 的调查（ 最大管径 ２
砂浆 的收缩一般 为混凝土的 ５ １ ， ～ Ｏ倍 砂浆 多则收缩大 ， 也降
低 了？ 凝土的质量。 昆
② 在“ 三高一铁 ” 的不利条件下施工。
这是某大型倒虹吸管 工人干部在分析开裂原因时带有概
算时只要求出 盯直梁后 ， 查出卢值 ， 即可迅速求 出盯曲
附表 曲梁／ 直梁 ） 值表
① 大力提高管道顶部 的施工质量 。 管道顶部施工 质量 差 ， 由于下列原 因造成 的 ：ａ顶部 是 （） 由于侧部？凝 土浇捣 时离析水上涌 ，使管顶混凝土水 灰比增 昆
算 简便 ， 下面列 出不 同 盯时的 卢 ＝ 盯直 ） （ （盯曲 ／ 粱 值 附表 ）计 混凝土浇筑时一般不装模板 ， ， 多了一个 自由面 ， 难于捣 实 ；ｂ （） 墚。
性 和抗 冻性 ， 速 了 混 凝 土表 面 的剥 落 和 裂 缝 处 钢 筋 的 锈 蚀 ． 因此 ， 加 第一条裂缝多发生在管顶一带 。此外 ， 为了避免管道裂
从而缩短管道 的寿命 ，因此查明管道开裂原因 ．总结经 验教 缝 ， 设计和施工上都还有一些值得 注意的问题 。
训 ， 设计 、 ＿上采取改进措施是非常必要的。 在 施 ［ （ ）设 计 上 值 得 注 意 的问 题 １
【 关键词 】 纵向裂缝
填土隔温 厚壁圆筒
顶部施 工质量
某县倒虹吸管内径 １ ｍ，水头 ５ １６ 建成 ，９ ５ 痕 ， ２ ３ｍ，９ ４年 １６ 大体上沿管顶一带呈纵 向不规则分布 ， 常被认 为是管体局 年冬调查 时 ， 管道工作情况正常 ．９ ９年再 去调查时 ， 称该 部混凝土质量欠佳所形 成的点渗而受忽视 ． １７ 据 实际上 ． 这时在管 倒虹吸管一直没有 出现纵缝 ， 到实地去观察时 ， 但 发现倒 虹吸 内 已经 形 成 断 断续 续 清 晰可 见 的纵 缝 ． 只是 尚未 贯 穿 而 已 ． 随 管确 已开裂 ．这可从管身 上一道道纵 向白色游离石灰痕迹证 着继续过水 ， 这些 裂缝 连成一线 ， 裂通管壁且 内宽外窄 ， 外 管
大型预应力混凝土倒虹吸结构应力分析
大型预应力混凝土倒虹吸结构应力分析摘要：采用三维有限元法，结合南水北调中线工程沁河倒虹吸结构设计，主要研究分析了五种工况下倒虹吸管身结构的顶板、底板、竖墙各部位应力分布状态，以检验结构的安全性和合理性。
关键词：倒虹吸；预应力混凝土结构；三维有限元；温度荷载南水北调中线总干渠以丹江口水库陶岔渠首至北京团城湖全长1272km，河南省段干线长大于700km，交叉建筑物甚多，而倒虹吸工程是该调水工程中运用数量最多的一种河渠交叉建筑物，具有规模大、流量大、结构横向宽度大、结构受力复杂等特点。
因此对沁河预应力混凝土倒虹吸管身结构进行应力分析是非常必要的。
本文采用三维有限元法[3]，对沁河预应力混凝土倒虹吸管身结构进行计算分析，得出预应力混凝土倒虹吸管身结构在正常使用极限状态下五种工况中顶板、底板和竖墙的应力分布规律，并对五种工况中最不利的工况进行温度荷载验算，得到混凝土正截面应力满足规范要求。
为工程设计提供参考依据，保证结构的安全可靠、经济合理。
1工程概况沁河倒虹吸位于河南省温县徐堡镇北、博温公路沁河大桥下游约300m处，是黄河北漳河南段规模较大的交叉建筑物之一。
本倒虹吸建筑物级别为Ⅰ级，结构安全等级为Ⅰ级。
倒虹吸设计流量为265m3/s，加大流量为320m3/s；渠道设计水位107.567m，校核水位108.185m；河道枯水位113.12m，设计水位（100年一遇洪水位）113.88m，校核水位（300年一遇洪水位）114.58m；河道无水期，地下水位110.00m。
倒虹吸主要有进口渐变段、进口检修闸、管身段、出口控制闸、出口渐变段组成，建筑物总长度1212m，其中管身水平投影长度1015m，进口闸室及连接段长75m，出口闸及连接段长122m；管身纵向每节15m左右，节间缝宽2cm，横向为3孔一联预应力混凝土箱型结构，混凝土强度等级采用C40；单孔孔径为6.9m×6.9m，管身顶板1.1m，底板1.2m，侧墙1.1m，中墙0.9m。
钢筋混凝土结构建模与有限元分析的应用研究
钢筋混凝土结构建模与有限元分析的应用研究钢筋混凝土是目前使用最广泛的建筑材料之一，因其强度高、耐久性好、施工灵活性高等优点而被广泛应用于各种建筑结构中。
在设计和施工过程中，钢筋混凝土结构需要进行建模和有限元分析，以确保结构的安全性和可靠性。
本文将探讨钢筋混凝土结构建模与有限元分析的应用研究。
钢筋混凝土结构的建模是指将实际结构的几何形状、材料特性和边界条件等信息转化为计算模型的过程。
建模的目的是得到一个能够准确描述结构行为的数学模型，以用于有限元分析。
在建模过程中，需要考虑结构的几何形状、材料性质、外界荷载、支座条件等因素。
一般情况下，可以使用计算机辅助设计（CAD）软件进行几何建模，根据结构的实际情况选择不同类型的有限元单元进行离散化。
有限元分析是指利用数值方法将结构分割为有限个子单元，在每个子单元内进行力学计算，并通过求解子单元之间的平衡关系来得到整个结构的应变、应力和变形等力学参数。
在有限元分析中，需要输入已建模的结构几何信息、材料特性、边界条件和荷载信息等数据，对结构进行数值计算，得到结构在不同工况下的力学响应。
根据计算结果，可以评估结构的安全性，如极限承载力、变形性能等，为结构的设计和施工提供参考依据。
钢筋混凝土结构建模与有限元分析的应用研究主要涉及以下方面：1. 结构性能评估：通过建立真实的结构模型，使用有限元方法对结构在正常使用条件下的力学性能进行分析，包括承载性能、刚度、振动特性等。
通过对结构的性能进行评估，可以发现结构的弱点和不足之处，为结构改进和优化提供依据。
2. 抗震性能研究：钢筋混凝土结构在地震荷载下的抗震性能是一个重要的研究方向。
通过建立真实的3D结构模型，考虑结构的非线性行为、接触条件、材料的损伤和破坏等因素，进行地震动力学分析，评估结构在地震荷载下的抗震性能，并提出相应的抗震设计措施。
3. 施工工艺模拟：在实际的施工阶段，建筑结构会受到施工工艺的影响，包括浇筑过程中的温度和应力的变化等。
刘家坝倒虹吸结构设计与有限元分析
向 压 应 力 为 一 ．４ ａ 出 现 在 倒 虹 吸 管 腰 处 端 部 ； ０ １６ＭＰ ， 倒 虹 吸管 最 大 径 向拉 应 力 为０ ０ ４ＭＰ ， ．４ ａ 出现 在 倒 虹 吸 管 顶 距 端部 ０ ５ｍ处 ， 大 径 向 压 应 力 为 一 ．２ Ｐ ， ． 最 ０ ０４ Ｍ ａ 出现 在
强度等 级为 Ⅱ级 ， 弹性 模 量 Ｅ ＝２０Ｇ ａ 泊 松 比 ： ０ Ｐ ，
０． ２８…
２ ２ 结 构模型 ．
采 用 ８结 点 等 参块 体 单 元 模 拟 倒 虹 吸 管及 地 基 ， 个 每 单 元结 点 具 有 ３ 平 动 自由度 ， 单 元 是 模 拟 混 凝 土 或 岩 个 该
Ｃ ５ 钢筋强度等级为 Ⅱ级。 ２，
２ 有 限元 模 型
２ １ 材 料参数 ．
刘 家坝 倒 虹 吸 工 程 采 用 埋 管 方 式 ， 虹 吸 管 覆 盖 层 倒 厚 度 ０８ｍ， 下 为 砂 碎 石 垫 层 ， 出 口渐 变 段 为 水 泥 砂 ． 管 进 图 ｌ 跨 河 段 倒 虹 吸 管 有 限 元模 型 图
１ 工 程 概 况
刘 家坝 倒 虹 吸 工 程 位 于 四 川 省 大 竹 县 乌 木 滩 水 库 左
干渠上 ， 除控 灌农 田０ ２× ０ ｈ 还供 大竹县 城关 工业 ． １ ｍ ，
及 居 民用 水 。 倒 虹 吸 设 计 流 量 ２０１ ／ ， 速 ２ １ ／ ， ． １ ｓ流 １ ．２ｍ ｓ
石 的专用单元 ， 可以设定混 凝土结 构各个方 向上 的体积
配 筋 率 或 岩 石 的各 向异 性 特 性 ｌ 。下 面 将 选 取 刘 家 坝 倒 ２
钢筋混凝土结构非线性有限元分析共3篇
钢筋混凝土结构非线性有限元分析共3篇钢筋混凝土结构非线性有限元分析1钢筋混凝土结构是现代建筑结构中常用的一种结构形式。
由于钢筋混凝土结构自身的复杂性，非线性有限元分析在该结构的设计和施工过程中扮演着重要的角色。
非线性有限元分析是建立在解析的基础之上的，它可以更真实地模拟结构在实际载荷下的变形和破坏特性。
本文对钢筋混凝土结构的非线性有限元分析进行细致的介绍。
首先需要了解的是，钢筋混凝土结构存在多种非线性问题，如材料非线性、几何非线性和边界非线性等。
这些非线性问题极大地影响了结构的受力性能。
在结构的设计阶段，要对这些非线性因素进行充分分析。
钢筋混凝土结构在材料方面存在很多非线性问题，例如，混凝土的拉应力－应变曲线存在非线性变形，钢筋的本构关系存在弹塑性和损伤等等。
这些材料的非线性特性是钢筋混凝土结构变形和破坏的重要因素。
钢筋混凝土结构材料的非线性特性需要通过相关试验来获得，例如混凝土的轴向拉伸试验和抗压试验，钢筋的拉伸试验等，试验数据可以被用来建立预测结构非线性响应的有限元模型。
钢筋混凝土结构在几何方面存在很多非线性问题，例如，结构的非线性变形、结构的大变形效应、结构的初始应力状态等等。
钢筋混凝土结构几何的非线性效应可通过有限元分析明确地描述。
要对几何非线性进行分析，通常使用非线性有限元分析程序，其中包括基于条件梯度最优化技术的材料和几何非线性分析以及有限元法分析中使用的高级非线性模拟技术。
钢筋混凝土结构的边界条件也可能导致结构的非线性响应，例如基础的扰动、结构的支承和约束条件等。
所有这些条件都会导致模型在分析中出现非线性行为。
最后，非线性有限元分析可以简化结构设计的过程，并且可以更准确地分析结构的性能。
另外，分析过程中还可以考虑更多因素，例如局部的材料变形、应力浓度等等，让设计人员了解到结构的真实状态。
总之，钢筋混凝土结构非线性有限元分析是现代建筑结构中常用的一种结构分析方式，对于设计和施工都有着重要的意义。
钢筋混凝土结构有限元分析单元类型
钢筋混凝土结构有限元分析单元类型通常钢筋混凝土结构有限元分析单元分为两个层次：杆系单元和实体单元。
前者着重分析单元力（包括力和弯矩）与位移（包括位移和转角）之间的关系，而后者着重分析单元的应力—应变关系。
单元类型的选取应兼顾计算规模、材料模型的精度等多方面的因素。
对于全结构规模较大，可将结构离散成杆系单元进行分析。
对于复杂区域（梁柱节点）或重要的构件等可将杆系结构体系计算的力和位移施加到实体单元模型上，分析局部应力和应变。
在结构分析中应尽可能多地采用三维实体单元模型，力求最大程度的真实模拟实际结构构件。
1.钢筋混凝土结构有限元分析中的模型钢筋混凝土结构不同于一般均质材料，它是由钢筋和混凝土两种材料构成的，一般钢筋是被包围在混凝土之中，而且相对体积较少，因此建立结构有限元模型需考虑这些特性。
构成钢筋混凝土结构的有限元模型主要有以下三类：1.1分离式模型分离式模型把混凝土和钢筋作为不同的单元来处理，即混凝土和钢筋各自被划分为足够小的单元。
考虑到钢筋是一种细长材料，通常可忽略其横向抗剪强度。
这样，可以将钢筋作为线形单元处理（如ANSYS中的link8单元）。
混凝土可采用四面体单元等实体单元（如ANSYS中的solid65单元）。
在该模型中，钢筋和混凝土之间可以插入联结单元来模拟钢筋和混凝土之间的粘结和滑移，若钢筋和混凝土之间的粘结很好，不会有相对滑移，则可视为刚性联结，可以不考虑联结单元问题。
众所周知，钢筋混凝土是存在裂缝的(否则钢筋难以发挥作用)，而开裂必然导致钢筋和混凝土变形不协调，也就是说必然存在粘结失效和滑移的产生，因此这种模型被广泛的应用。
单元刚度矩阵的推导与一般有限元相同。
1.2组合式模型组合式模型是假设钢筋以一个确定的角度分布在整个单元中，并假设混凝土与钢筋之间存在着良好的粘结，认为两者之间无滑移。
又分为分层组合方式和带钢筋膜的方式等。
该单元刚度矩阵推导时分别求出各自的单元刚度，然后组合起来。
钢筋混凝土倒虹吸结构设计与受力计算
工程 科 技 ｆ｛ ｛
姬栋 字 ｌ ｄ ．
（、 １ 湖南城 建职业技 术学院土木工程 系， 南 湘潭 湖 ４ １０ ２ 郑州大学土木工程 学院， 南 郑州 １１ １ 、 河 ４００） ５０ ２
摘 要： 本文为养鸡 场倒虹吸工程提供 了设计方案， 并采用通用有限元 计算软件对该结构进行 了计算分析 ， 计算结果进一步验证了设计方案的
－
２６ ５－
合理性与安全性 ， 为工程设计提供 了可靠的依据。 关键词 ： 倒虹吸管： 设计方案 ； 有限元 ； 分析路径。 １工程设计 ３ 结果分析 ３ ３变形分析。倒虹吸管在施工、 运营过程中 养鸡场倒虹吸工程贵州省贵阳市郊花溪区， ３ 分析路 为了对该倒虹吸结构的立 ． １ 径。 力和 中间断面径向、轴向 位移的分布规律如下所述 ： 在 原为花中电力提灌输水建筑物 ， 松柏山水库建成 变形分布有一 精 楚的认识， 从模型中 倒虹吸管的 工况 ｌ ， 下 倒虹吸管中间断面的最大径向位移为 后， 区改为自 该灌 流灌溉。 经过工程设计， 该倒虹吸 中间断面开始， 每隔 ２ ｍ选取 １ ． ５ 个关键点， 沿着水 ０ １ｍ ， ５ ８ ｍ 最大轴向位移为 ０ ０ ｎｎ ． ４ｕ ￣在工况 ２ １ 下。 管采用钢筋混凝土现浇管结构 ， 管内径 １ ｍ， ． 壁厚 流方向在例虹吸管内表面确定了 ３ 】 条计算路径。 路 倒虹吸管中间断面的最大径向位移为 １ ３ｒｍ， ． １ 最 ３ ａ Ｏ５ ， ． ｍ 混凝土强度等级为 Ｃ ｏ 倒虹吸管ｉ汁流量 径 １倒虹吸管底； １ ２ｏ 殳 ， 路径 ２倒虹吸管腰； ． 路径 ３倒虹 大轴向位移为 ０ １ｍ ， ． ７ ｍｏ在工况 １ 倒虹吸管中 ２ 下， １６ ／ 流速 １ｍ／， ０３４ ２ ｍ３ｓ ， ３ ｓ糙率 ／ 。倒虹吸管最小水 吸管 顶。 １ 同断面的最大径ｆ位移为 １ ３ ｍ ， 句 ５ ２ ｍ 最大轴商位移 头 ２． ， ６ ｍ 设计水头 ２ ｍ 倒虹吸管全长 ３ ￣ ｍ， ８ ９， ３ ７ 接 ３ ２应力分析。通过有限元分析， 得到了倒虹 为 ０ １ｍ ｏ ３ ２ ｍ 并且， 吸管的 在ｆ 虹 黜 ， 其径向 位 头为平接套管， 紫铜片止水， 沥青油毡及水泥砂浆 吸在施工、 运营过程中各个路径关键 上的环向应 移为负值， 即向内位移， 在倒虹吸管的管底处， 其径 嗣 ｅ 填缝。 力和轴向应力的分布规律。在工况 １ 路径 １ 下。 上 向位移为正值 ， 即向外位移 ， 也就是说倒虹吸管发 ２ 结构计算 的最大环向应力为 ０ ０ ａ ３ ２ＭＰ ，最大轴向应力为 生了整体的向下位移， 这主要是由于结构的自重所 ２１ 模型参数。 ０２ Ｍ ａ ０ ４ Ｐｏ路径 ２ 上的最大环 向应力为 一 ４ ７ 引起的基础沉降。倒虹吸管的轴向位移较小 ， ｏ ０ 远小 强度等级为 Ｃ ０弹 ２， 墨－ ５ Ｇ ａ 泊松比 ＭＰ ， － ． Ｐ， － ２ ａ最大轴向应力为 ０ ３ ａ ． ３ＭＰ ｏ路径 ３ ０ 上的最大 ｊ 向位 移。 “＝Ｏ１７， ．６ 容重 ＝２ Ｎ ｍ， ４ｋ ／￣ 垫层的混凝土强 环 向 应 力 为 ０５１ＭＰ 。最 大 轴 向 应 力 为 ０ ８ ／ ａ ７ ．９ ０ ４结 论 度等级为 Ｃ ５弹性 量 ２ Ｐ ， １， ２ ａ Ｇ 泊松比 ｎ 。 Ｍ ａ ＝ 田 ｏ在 工况 ２下，路径 ｌ 的最大 向应力为 上 综Ｅ 所述 ， 钢筋强度等级为Ⅱ级，弹性模量 ：２０Ｇ ａ泊 ０ ３ ａ最大轴向应力为 ０ ７ ａ ０ Ｐ ， ５ １ＭＰ ， ． ５ＭＰ ｏ路径 ２上 安全合理的， ０ 倒虹吸管的环向 应力和轴向应力值都 松比 ： ． 。 ０ ８ 倒虹吸工程基础为 ２ 重粘 ， 材料压 的最大环向应力为 ０ ３ ａ ． ３ＭＰ ，最太轴向应力为 较小， ８ 通过配筋可以达到设｝要求。 ｒ 缩模量 一２ Ｍ ａ泊松比 ： ００ 。 ４ Ｐ， ＝ ３ ｎ １ ８ 路 径 ３上 的 最 大 环 向应 力 为 １９ ｌ４ ＭＰ０ ．１ ０ 参考文 献 ２ 单 ＇ 元选取及 ２ 模型尺寸。 倒虹吸工 ＿ 和 ＭＰ ， 大轴 向应力 为 ０１５ＭＰｏ在 工况 ３ ， 程基 础 ａ最 ． ａ ５ 下 路 ｆ ＵＦ ９ － ６ 工混 凝 土结 构设计 规 范陴 北 京 ： １Ｓ １１９． １ － 水 钢筋混凝士管模型采用 ８ 等参块体单 ， 节点 元 每个 径 １ 上的最大环向应力为 ０ ８ ａ ． ７ＭＰ ，最大轴向应 中国水 ｄ ａ ｔ￣１９． ５ 水电 ｑｇ． ９ ６ ｉ ，． 节点具有 ３ 个平动自由度， 该单元常应用于分析实 力 为 ０ ９ ａ 路 径 ２上 的 最 大 环 向 应 力 为 【 李广信． ． ２ ＭＰ。 ０ ２ 】 高等土力学啡 北京 ： 清华大学出版社 ， ００ ． ０ ７ ａ最大轴向应力为 ０ ３ ａ ． ２ＭＰ ， ８ ． ２ＭＰ ｏ路径 ３上 ２ ５ １ － ７ＭＰ ，最大轴向应力为 网王勖成， 】 邵敲 有限单元法基本原理和数值方法 时， 主要模拟了倒虹吸管的水平段， 该管段承受的 的最大环 向应力为 １ １ ａ 水头最大。模型的尺寸为沿例虹吸管方向取 ４ Ｉ Ｑ Ｐ ｏ 前 面的分析可以看出， 顶 的 ０Ｉ． Ｔ １３Ｍ ａ 从 ７ 管 环向应 （ 第二版Ｘ 京： Ｍ ｂ 清华大学出 版社， ９ １ Ｚ ９ 横河向取 ３ ｌ ２ｎ， 竖直方向取 ３ ０‰ 模型的陡以范围 力最大， 管腰次之， 管底的环向应力最小。倒虹吸管 【 李惠英 ， ４ ］ 田丈铎， 阎海新例 虹吸管 北京： 中国 是４ ｏｍ× ２ｍ× ０ｍ。 ３ ３ 的轴向 应力都铳，， ｊ但管顶的轴向 、 应力略大于管要 水利 水电 出版社 ．ｏ ６ ２ｏ 作者 简介 ： 栋 宇（９ １）男 ， ， 南濮 阳 姬 １８ 一 ， 汉 河 ２ 计 况。养坶 虹吸管 水平Ｅ ，水 和管底的轴向 ． 旺 ３ 剩 嘬 ｊ 、 应力。并且， 倒虹吸管中间断面第一 头 ２． ， ６ ｍ 设计水头 ２ ｍ， ８ ９ 结构分析主要考虑了 ３ 种 捌 】 的最大 值出现在管 顶处 ， 这主要 是 管顶处 的 人， 讲师， 博士研究生， 主要从事工程结构数值仿真 计算工况日工况 ｌ倒虹吸管 自重（ ： ， 施工工况）工况 刚度较， ； ｊ 喝致 的。 倒虹吸管中间断面的第三捌 ］ 研 究工作 。 ２结构自 ＋ ， 重 最小水头 ２ ８ （ ６ ｍ 运营工况） ； ３ 基本上都为压应力， 工况 ， 这主要是由于倒虹吸管的自重 结构自 ＋ 重 设计水 ２ ｍ 运营工况） 头 ９（ 。 引起的。
钢筋混凝土有限元分析
钢筋混凝土有限元分析(1)首先建立有限元模型，这里我们选用ANSYS软件自带的专门针对混凝土的单元类型Solid 65，进入ANSYS主菜单Preprocessor->Element Type->Add/Edit/Delete，选择添加Solid 65号混凝土单元。
(2) 点击Element types窗口中的Options，设定Stress relax after cracking为Include，即考虑混凝土开裂后的应力软化行为，这样在很多时候都可以提高计算的收敛效率。
(3) 下面我们要通过实参数来设置Solid 65单元中的配筋情况。
进入ANSYS主菜单Preprocessor-> Real Constants->Add/Edit/Delete，添加实参数类型1与Solid 65单元相关，输入钢筋的材料属性为2号材料，但不输入钢筋面积，即这类实参数是素混凝土的配筋情况。
(4) 再添加第二个实参数，输入X方向配筋为0.05，即X方向的体积配筋率为5%。
(5) 下面输入混凝土的材料属性。
混凝土的材料属性比较复杂，其力学属性部分一般由以下3部分组成：基本属性，包括弹性模量和泊松比；本构关系，定义等效应力应变行为；破坏准则，定义开裂强度和压碎强度。
下面分别介绍如下。
(6) 首先进入ANSYS主菜单Preprocessor-> Material Props-> Material Models，在DefineMaterial Model Behavior 窗口中选择Structural-> Linear -> Elastic-> Isotropic，输入弹性模量和泊松比分别为30e9和0.2(7) 下面输入混凝土的等效应力应变关系，这里我们选择von Mises屈服面，该屈服面对于二维受力的混凝土而言精度还是可以接受的。
在Define Material Model Behavior 窗口中选择Structural-> Nonlinear->Inelastic-> Rate Independent-> Isotropic Hardening Plasticity-> Mises Plasticity-> Multilinear，输入混凝土的等效应力应变曲线如下图所示。
基于ANSYS的钢筋混凝土结构非线性有限元分析
2、应力-应变曲线：描述了混凝土和钢筋的在往复荷载作用下的变形和能量吸收能力，显示 了结构的塑性变形和损伤演化过程。
参考内容
引言
钢筋混凝土结构在建筑工程中具有重要地位，其非线性行为对结构性能影响 显著。因此，进行钢筋混凝土结构的非线性有限元分析对于预测结构响应、优化 结构设计具有实际意义。本次演示将根据输入的关键词和内容，建立钢筋混凝土 结构非线性有限元分析模型，并详细描述分析过程、结果及结论。
基于ANSYS的钢筋混凝土结构 非线性有限元分析
基本内容
引言：
钢筋混凝土结构是一种广泛应用于建筑工程的重要材料，其非线性力学行为 对结构设计的安全性和稳定性具有重要影响。为了精确模拟钢筋混凝土结构的真 实行为，需要借助先进的数值计算方法，如非线性有限元分析。ANSYS作为一种 广泛使用的有限元分析软件，为钢筋混凝土结构的非线性分析提供了强大的支持。
对于钢筋混凝土，其非线性行为主要来自两个方面：混凝土的本构关系和钢 筋与混凝土之间的相互作用。在非线性有限元分析中，需要建立合适的模型来描 述这些行为。例如，可以采用各向异性本构模型来描述钢筋混凝土的力学行为， 该模型可以捕捉到材料在不同主应力方向上的不同响应。
二、ANSYS中混凝土本构关系研 究
在进行荷载试验时，通过施加不同大小和方向的荷载，检测结构的变形和破 坏过程。采用静力荷载试验和动力荷载试验两种方式，分别模拟实际结构在不同 荷载条件下的响应。在试验过程中，记录各阶段的位移、应变和荷载数据。
在进行有限元分析时，采用ANSYS软件对试验数据进行模拟分析。首先进行 模态分解，了解结构的基本振动特性。随后进行屈曲分析，预测结构的失稳趋势。 通过调整模型参数和网格划分，对比分析不同方案下的有限元计算结果，为结构 的优化设计提供依据。
ABAQUS钢筋混凝土有限元分析
ABAQUS钢筋混凝土有限元分析钢筋混凝土是工程结构中常用的材料之一，它由水泥、砂、骨料和钢筋等材料组成。
ABAQUS是一种常用的有限元分析软件，可以实现对钢筋混凝土结构的静力和动力分析。
钢筋混凝土有限元分析通常包括以下几个步骤：建模、网格划分、施加载荷、求解、分析结果和后处理。
在建模过程中，首先需要确定模型的几何形状和边界条件，如结构的尺寸、截面形状和荷载情况。
然后，使用ABAQUS中的三维实体或平面模型来创建结构模型。
接下来，进行网格划分，将模型分割成小的有限元单元，以便于后续的分析计算。
在施加载荷过程中，需要根据具体的分析目的和加载方式给定荷载条件，如静力荷载或动力荷载。
可以给定荷载的大小、方向和作用位置。
在求解过程中，使用ABAQUS的求解器对结构模型进行计算，得到结构的受力状况。
分析结果包括了应力、应变、位移和反应力等参数。
可以使用ABAQUS中的后处理工具来查看和分析这些结果。
可以绘制应力云图、位移云图、剪力和弯矩图等，以提供直观的分析结果。
钢筋混凝土有限元分析在工程实践中有多个应用领域。
例如，在建筑结构设计中，可以分析钢筋混凝土柱、梁、板和墙等元件的受力性能，以评估结构的稳定性和安全性。
在桥梁工程中，可以分析钢筋混凝土桥墩和桥面板的受力性能，以确定其荷载承载能力。
在地基工程中，可以分析钢筋混凝土基础的受力状况，以评估地基的稳定性和变形性能。
总体而言，钢筋混凝土有限元分析可以帮助工程师更好地理解和评估钢筋混凝土结构的受力性能，以指导结构设计和施工过程。
同时，利用ABAQUS这类有限元分析软件，可以提高分析效率和计算精度，为工程实践提供有力的技术支持。
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钢筋混凝土倒虹吸管结构有限元分析
摘要倒虹吸管是渠道穿越山谷、河流、洼地,通过道路或其它渠道的压力输水管道,是一种交叉输水建筑物。
近年来,随着我国南水北调中线调水工程展开,以及农村供水、农业灌溉、城市供水事业的发展,倒虹吸已成为了这些生命线工程的重要组成部分。
本文借助有限元分析软件ansys,对钢筋混凝土倒虹吸管进行了三维有
限元静力分析,从这些研究中得出了一些有意义的结论。
关键词钢筋混凝土;ansys;倒虹吸;有限元静力分析
中图分类号tv332文献标识码a 文章编号
1674-6708(2010)21-0166-02
本文主要利用ansys的仿真功能,对倒虹吸在不同工况下的受力性能进行三维有限元分析,得出倒虹吸在各种不同工况的应力状况,分析得到最不利的荷载组合和工况,并在应力集中的面上增配加劲筋,用以增加改进界面的强度,以保证倒虹吸安全、稳定的工作。
1 有限元模型的建立
1.1 计算实体
考虑到倒虹吸结构本身对称,地基均一,所受荷载也对称,因此计算时,取一联对称结构进行计算。
在进行三维线性有限元计算时,取顺水流方向为10m厚的箱型结构进行计算。
箱型结构顶板厚度为
60cm,底板厚度为65cm,边墙厚度为60cm,中隔墙厚度为50cm。
为了便于施工,在管身开挖基面上铺设10cm厚的c10素混凝土垫层,两侧外延洞身底板50cm,以改善地基应力分布。
1.2 计算范围
为考虑地基土对结构的影响,故截取一定范围的地基土作为计算模型的一部分。
根据圣维南原理和计算经验,取管身下面5m深度,管身左右各取10m,纵向取10m地基土(与管身长度相同)参与计算,回填土部分对地基的作用,转化为线性分布荷载考虑,结构及地基部分变形均假定在线弹性范围内。
对所取计算范围内的地基,其右侧为对称轴,只有垂直位移而无侧向位移,故采用水平链杆约束,其左侧视为无垂直位移和水平位移,故采用铰结约束,其底部采用铰结约束。
1.3 计算模型
使用知名有限元软件ansys建立计算模型,根据倒虹吸箱型结构的几何特性,倒虹吸箱型结构和地基采用四边形等参单元,为尽可能减少计算工作量,网格划分时,倒虹吸箱型结构本身布置较密,而在地基部分则布置较稀疏,排水倒虹吸的三维有限元数值模型如图1所示总共32 400个单元,39 576个结点。
1.4 边界条件
有限元模型的边界条件假定为:箱型结构的左下角为坐标原点,顺河侧沿河流向(z轴方向)施加约束,横河侧沿横流向(x轴方向)施加约束;地基底面施加x、y、z三方向约束。
地基表面部分,除倒虹吸箱型结构外,其余回填土部分对地基的作用按回填土高度转化为线性分布荷载考虑。
1.5 材料参数
混凝土及地基土的材料参数均由现场试验所得,其结果见表1。
普通钢筋:采用标准热轧ⅱ级钢筋,其弹性模量es=2.0×
105mpa。
通常构成钢筋混凝土结构的有限元模型主要有3种方式:分离式、组合式和整体式。
本文主要采用了整体式模型,将钢筋和混凝土折算成一种处于线弹性范围内的均质材料。
1.6 计算工况
根据设计要求,某倒虹吸设计考虑在设计水深下的几种运行工况:工况一:设计工况,倒虹吸管两孔充水;工况二:设计工况,倒虹吸管一孔有水;工况三:设计工况,倒虹吸管无水;工况四:校核工况,倒
虹吸管两孔充水;工况五:校核工况,倒虹吸管一孔有水。
由于篇幅有限本文仅对工况二和工况三进行了有限元分析。
2 倒虹吸结构的三维有限元静力分析
2.1 堤下断面倒虹吸应力
由应力分布云图2可以看出,堤下断面倒虹吸管在各种工况下拉压应力都没有超过混凝土的抗压及抗拉强度,这说明该倒虹吸的在各种和在作用下是安全的。
并且是从图中也可以分析得出,工况三的拉应力最大为0.95mpa,所以工况三即设计工况、空管时为倒虹吸设计的控制工况,这与结构力学分析中的设计工况是相符合的。
2.2 渠下断面倒虹吸应力
渠下断面倒虹吸管在各种工况下拉压应力也都没有超过混凝土
的抗压及抗拉强度,并且工况三的拉应力最大为0.63mpa,所以这种
情况下控制工况也是工况三。
3 结论
通过以上的分析得出以下结论:不论是渠下断面还是堤下断面,但虹吸的控制工况都是工况三(设计工况,设计水深,空管时)。
在静载作用下,倒虹吸管管构件的最大应力发生在顶板跨中处,当单孔过水时倒虹吸中墙的应力也比较大。
因此,在工程实践中,内力和应力最大处应加强配筋,以提高结构的承载力;另外,也可采取其他的有效措施,减小内力和应力的发生。
参考文献
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