有限元软件在空箱结构计算中的应用浅析

张义乐，李天尧

（上海勘测设计研究院有限公司，上海 200335）

0 引言

工程师们通常对一些简单的结构运用结构力学或者借助工具箱进行内力计算，但一些较复杂的结构往往不能较好的去简化它，从而影响计算的准确度和可靠性。近些年来，随着计算机技术的飞速发展，国内出现了很多如ANSYS、SAP2000、ABAQUS、ADINA、Hypermesh 等有限元软件，这些软件有良好的用户操作界面，且具有强大的建模和后处理过程。本文结合实际的工程案例，主要介绍了SAP2000 和ANSYS 在空箱结构分析中的应用。

1 工程概况

本工程位于九江市城西港区阎家渡的新开河出口，该位置是九江长江大堤与城市长江防洪堤及八里湖堤与赛城湖堤的结合部。U 型隔堤导墙具有分隔八里湖和赛城湖的两湖水作用，并与长江干堤（永安堤）同为2 级堤防工程。隔堤总长为61.98 m，共分为三段，平面布置图及纵剖面图见图1、图2，本文选取最高一段隔0+000.0～0+020.00Part1 结构进行分析，该结构由5 道横隔墙、两道侧墙、一道中隔墙、底板组成的空箱结构，空箱内进行填土。

图1 隔堤平面布置图

图2 隔堤纵剖面图

2 SAP2000 仿真计算

2.1 模型建立与计算方法

为了简化计算，底板底高程取为7.10 m，①号隔墙、侧墙高程为23.50 m，②号隔墙高程为22.50 m，③、④、⑤号隔墙、中隔墙的高程为19 m，①、②、③、④、⑤隔墙之间的间距为3.80 m，⑤号隔墙左端悬挑1.60 m，中隔墙与侧墙的间距为5.85 m。底板、隔墙、侧墙、中隔墙都采用SAP2000 的厚壳单元进行建模。

底板为1000 m 厚壳截面构件，侧墙、①号隔墙为800 mm厚壳截面构件，②号隔墙、③号隔墙、④号隔墙、⑤号隔墙、中隔墙为600 mm 厚壳截面构件。

考虑该结构的受力可知，在施工期即外河无水的情况下对墙体来说是最危险的情况。故荷载主要为土压力、土体自重、自重，填土高程为23.50 m。土压力按库仑主动土压力进行计算，填土的指标据地质报告中的建议值，填土粘聚力容重γ=19.20 kN/m3，c=18.45 kPa，内摩擦角ø=11°。

图3 SAP2000 计算模型

根据各板壳受力的特点，显示计算的结果M11、M22、F11内力云图，可根据应力云图来判别结构配筋的控制断面，读取弯矩或者轴力从而进行结构配筋计算。

2.2 结构内力计算成果

各板壳构件弯矩及轴力云图见图4～图10。

图4 800mm 侧墙内力云图

图5 ①号隔墙内力云图

图6 ②号隔墙内力云图

图7 ③号隔墙内力云图

图8 ④号隔墙内力云图

图9 ⑤号隔墙内力云图

图10 中隔墙内力云图

图中各特征点内力值本文只列举了800 mm 侧墙和①号隔墙，具体见表1～表2。其余隔墙内力详见文字叙述。

由应力云图6～图10 来看，弯矩M11 都极小，而轴力F11比较大，故可考虑该类板壳为受拉构件；由②号隔墙F11 云图看，特征点1、2 为角缘处出现应力的集中点，在配筋计算中应避免，故选择支座处的特征点3、4，跨中的特征点5，为控制配筋的截面，轴力分别为861 kN，490 kN。③～⑤号隔墙所受荷载相同，同②号相同将支座处、跨中处作为配筋的截面，轴力为697 kN，297 kN。由中隔墙的F11 轴力云图看，特征点1、3 为角缘处出现应力的集中点，选择特征点2 作为支座处的配筋截面，轴力为895 kN；特征点5 为跨中处配筋截面，轴力为490 kN。

表1 800mm 侧墙特征点内力值

表2 ①号隔墙特征点内力值

2.3 结构配筋计算成果

根据SAP2000 内力计算结果，结合隔墙的受力特点，选取控制截面进行配筋计算。由计算的内力云图知800 mm 侧墙、①号隔墙为受弯构件，②～⑤号隔墙、中隔墙的水平向弯矩M11很小，知该类构件为受拉构件，按照钢筋混凝土受拉构件的承载力进行计算。依据《水工钢筋混凝土结构设计规范》（SL 191-2008），利用二次开发的配筋程序或者Excel 等进行配筋计算。

表3 800mm 侧墙、①号隔墙配筋计算成果汇总表

表4 ②～⑤号隔墙、中隔墙配筋计算成果汇总表

3 ANSYS 仿真计算

3.1 模型建立与计算方法

计算模型的几何参数、所施加的荷载同SAP2000 模型相同，根据地质勘探提供的力学指标，计算参数C25 混凝土容重为：25 kN/m3，弹性模量E=2.8×1010Pa，泊松比u=0.167；土体参数同SAP2000 模型取值相同。网格划分采用SOLID65 单元。有限元模型见图11。

图11 ANSYS 计算模型

ANSYS 最终计算结果为应力，故需通过ANSYS 后处理的积分功能逐步操作从而可得到用于配筋的内力值。为方便对比，本文选取了受力较复杂的800 mm 侧墙和①号隔墙进行了后处理与SAP2000 计算内力配筋进行对比。

3.2 结构内力计算成果

图12 800mm 侧墙应力云图

图13 800mm 侧墙应力云图

根据云图12、图13 可知应力的大小分布和SAP2000 模型计算结果基本一致，故可根据SAP2000 计算的应力结果选择典型截面作为配筋截面，见图14～图17。根据截面的拉应力区图形面积，计算出拉应力合力，再根据式（1）计算钢筋面积，配筋面积汇总表见表5。

式中：AS为为受拉钢筋面积，m2；γd为为承载力安全系数，按规范取为1.2；T 为拉应力的合力；T=Ab，A 为拉应力区面积，b 为截面宽度，取单宽1 m；fy为钢筋抗拉强度设计值，取360 MPa。

图14 800mm 侧墙（支座）沿厚度方向应力σz（Pa）分布

图15 800mm 侧墙（支座）沿厚度方向应力σy（Pa）分布

图16 ①号隔墙（支座）沿厚度方向应力σx（Pa）分布

图17 ①号隔墙（支座）沿厚度方向应力σy（Pa）分布

表5 配筋面积汇总表

4 结论

本文通过SAP2000 模型对U 型隔堤建模并进行了结构内力配筋的计算，给出配筋的最终成果。较传统的结构力学分析的方法更加直观地看出每一道墙的内力大小分布情况。本文也通过ANSYS 有限元软件在相同的各类参数和所受荷载情况下，进行了内力的计算并给出了受力典型的800 mm 侧墙和①号隔墙的应力云图和配筋面积的成果。针对本文的计算结果，主要有以下几点结论：

（1）从SAP2000 模型和ANSYS 模型计算的内力云图和配筋面积看，内力云图的分布规律近乎一致，计算的所需配筋面积误差在10%以内，故两者在计算该类空箱结构配筋计算都具有一定的参考意义，同时验证了配筋的合理性以及结构的安全性。

（2）由两种计算软件分析的过程来看，SAP2000 在后处理方面要优于ANSYS，SAP2000 可直接输出配筋所需的弯矩和轴力等，且可根据各节点的内力值大小选择配筋所需的面积，既满足了工程的结构安全，又满足了经济性的需求。而对ANSYS软件，其输出的结果为应力图形，需通过积分的方法将其折算成内力且和所划分的网格疏密有较大的关系，后处理的工作量大，且需要正确、熟练的使用该软件。

（3）空箱结构因受力性能好的原因，在水利工程、水电工程中都广泛使用，本文通过SAP2000 软件将墙体视为厚壳构件，对其进行结构配筋的计算，成果为内力的云图，根据云图确定配筋的控制截面，从而对应力较大的区域进行钢筋加密处理，较传统的结构力学方法更加直观且安全经济，节省了工程投资，可为该类结构设计提供参考。