CN105696619A - 基于ansys的新型装配扶壁式挡土墙有限元计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于ANSYS的新型装配扶壁式挡土墙有限元计算方法，包括以下步骤，步骤1，采用双剪法确定预制板与二期浇筑混凝土接触面摩擦系数；步骤2，在ANSYS中建立新型装配扶壁式挡土墙的仿真模型；步骤3，通过APDL语言编程施加约束与荷载；步骤4，进行新型装配扶壁式挡土墙静力及瞬态分析，求解结果，并进行后处理。本发明提供一种基于ANSYS的新型装配扶壁式挡土墙有限元计算方法，更加真实的分析了新型装配扶壁式挡土墙结构的应力、位移分布情况，为其结构设计、配筋方案提供了依据。

Description

基于ANSYS的新型装配扶壁式挡土墙有限元计算方法

技术领域

本发明涉及一种基于ANSYS的新型装配扶壁式挡土墙有限元计算方法，属于有限元仿真技术领域。

背景技术

新型装配扶壁式挡土墙符合建筑工业化的大趋势，并可以实现绿色施工，是一种具有广泛应用前景的结构形式。

对预制装配式混凝土结构的研究目前主要集中于框架结构、剪力墙结构。但是对这种新型装配扶壁式挡土墙结构的研究几乎为空白，对如何设计、计算、评价这种新型挡土墙结构的安全性没有可靠的依据，严重制约了这种新型装配式挡土墙结构的应用推广。

ANSYS软件以基本Coulomb摩擦模型来控制接触面之间的黏结(stick)和滑动(slide)，两接触面在滑动之前可以承受剪应力到一定数值，并产生相应的弹性滑移量，其在滑移开始时刻数学表达式：τ＝μp+COHE，式中：τ为接触面间等效剪应力；μ为界面静摩擦系数；p为接触部位的压应力；COHE为界面间抵抗滑动的凝聚力。当接触面间的等效剪应力τ＜μp+COHE时，两接触面间处于黏结状态。同时程序默认最大的接触摩擦应力(TAUMAX)，即当界面间的等效剪应力达到此最大值时，则不论压应力多大，滑动都会发生。程序计算默认的接触算法是增强的拉格朗日乘子法，即连续迭代罚函数法，其实质是将接触的两表面通过一接触“弹簧”建立关系。该弹簧的切向变形量Δ满足方程：τ＜K_TΔ，τ＜μp+COHE，式中：K_T为接触面间的切向刚度(FKT)。ANSYS软件通过设定FKT与SLTO(最大允许弹性滑移距离，Δ≤SLTO)的值来控制接触面间切向的相互作用，二者之间的关系式：FKT≤MU×PRES/SLTO，其中MU为动摩擦系数；PRES为法向压应力，MU与μ之间的关系由软件提供的摩擦衰减模型确定。

为了能够分析新型装配扶壁式挡土墙结构的应力、位移分布情况，为其结构设计、配筋方案提供依据，基于ANSYS的新型装配扶壁式挡土墙的有限元计算方法就成为需要解决的问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于ANSYS的新型装配扶壁式挡土墙有限元计算方法。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

基于ANSYS的新型装配扶壁式挡土墙有限元计算方法，包括以下步骤，

步骤1，构建新型装配扶壁式挡土墙的结构模型；

步骤2，采用双剪法确定预制板与二期浇筑混凝土接触面摩擦系数；

步骤3，在ANSYS中建立新型装配扶壁式挡土墙的仿真模型；

步骤4，通过APDL语言编程施加约束与荷载；

步骤5，进行新型装配扶壁式挡土墙静力及瞬态分析，求解结果，并进行后处理。

双剪法试件由3块相同尺寸的混凝土试块从上往下依次堆叠组成，中间一块为二期浇筑混凝土试块，上下两块为预制块，在测试时，2块预制块的位置及竖向压力N不变，顶推二期浇筑混凝土试块至接触面滑动，由顶推力峰值F及竖向压力N可得二期浇筑混凝土试块与接触面静摩擦系数μ。

步骤2采用整体式建模方式，即将钢筋连续均匀分布于整个建模单元中，并把建模单元视为连续均匀材料，钢筋对整个结构的贡献，通过刚度矩阵EI等效原则提高材料的弹性模量来实现。

所述建模单元为ANSYS中的SOLID65单元。

新型装配扶壁式挡土墙模型考虑受拉开裂，受压结构关系采用不带下降段的多折线随动强化模型来定义，混凝土破坏准则通过命令TB，CONCR和命令TBDATA输入。

接触面采用柔体-柔体接触，接触方式采用面-面接触，借助于ANSYS内嵌的三维接触面单元TARGE170和CONTA173形成接触对来模拟。

三维接触面单元在计算时，令CONTA173的KEYOPT(9)＝0，KEYOPT(12)＝2，KEYOPT(10)＝1，其余的关键字和实常数都采用ANSYS程序本身默认的设置。

新型装配扶壁式挡土墙底板边界为固定约束，仿真模型两侧边界为纵向约束。

施加荷载的过程如下，

A1)选中所要施加压力的表面，覆盖一层表面效应单元SURF63单元；

A2)生成的shell63单元；

A3)计算shell63单元所受的合力，并将合力平均后，施加到shell63单元的各个节点；

计算shell63单元所受的合力的过程为，

a31)计算shell63单元的面积及shell63单元中心的X、Y、Z坐标值；

a32)将坐标值代入压力随坐标变化的函数式，得到shell63单元中心点处的压力值，并乘以面积得到shell63单元所受的合力；

A6)对每一个表面进行操作，完成后，清除每一个表面上的shell63单元；

A7)进行瞬态分析时，通过APDL语言编程读取修正后的地震波。

本发明所达到的有益效果：本发明提供一种基于ANSYS的新型装配扶壁式挡土墙有限元计算方法，更加真实的分析了新型装配扶壁式挡土墙结构的应力、位移分布情况，为其结构设计、配筋方案提供了依据。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为新型装配扶壁式挡土墙断面图。

图3为预制双面叠合板平面布置图。

图4为静力作用下新型装配扶壁式挡土墙第一主应力图。

图5为静力作用下新型装配扶壁式挡土墙沿X方向位移图。

图6为地震作用下新型装配扶壁式挡土墙第一主应力图。

图7为地震作用下新型装配扶壁式挡土墙沿x方向位移图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，基于ANSYS的新型装配扶壁式挡土墙有限元计算方法，包括以下步骤：

步骤1，构建新型装配扶壁式挡土墙的结构模型。

如图2和3所示，，通过底板现浇，面板和扶壁板预制双面叠合混凝土墙，现场安装后浇筑内芯混凝土，形成完整的新型装配扶壁式挡土墙。

步骤2，采用双剪法确定预制板与二期浇筑混凝土接触面摩擦系数。

双剪法试件由3块相同尺寸的混凝土试块从上往下依次堆叠组成，中间一块为二期浇筑混凝土试块，上下两块为预制块，在测试时，2块预制块的位置及竖向压力N不变，顶推二期浇筑混凝土试块至接触面滑动，由顶推力峰值F及竖向压力N可得二期浇筑混凝土试块与接触面静摩擦系数μ。

步骤3，在ANSYS中建立新型装配扶壁式挡土墙的仿真模型。

建模采用整体式建模方式，即将钢筋连续均匀分布于整个建模单元中，并把建模单元视为连续均匀材料，钢筋对整个结构的贡献，通过刚度矩阵EI等效原则提高材料的弹性模量来实现。建模单元为ANSYS中的SOLID65单元。新型装配扶壁式挡土墙模型考虑受拉开裂，受压结构关系采用不带下降段的多折线随动强化模型来定义，混凝土破坏准则通过命令TB，CONCR和命令TBDATA输入，为方便计算收敛，关闭压碎选项，即将参数C4设为-1。

预制板与二期浇筑混凝土之间的结合面为接触面，采用柔体-柔体接触，接触方式采用面-面接触，借助于ANSYS内嵌的三维接触面单元TARGE170和CONTA173形成接触对来模拟。三维接触面单元在计算时，令CONTA173的KEYOPT(9)＝0(包括几何穿透/间隙和CNOF)，KEYOPT(12)＝2(接触表面相互作用为不分离，允许滑动)，KEYOPT(10)＝1(每一载荷步更新闭合状态的接触刚度)，其余的关键字和实常数都采用ANSYS程序本身默认的设置。

步骤4，通过APDL语言编程施加约束与荷载。

通过APDL语言编程施加的约束为：新型装配扶壁式挡土墙底板边界为固定约束，仿真模型两侧边界为纵向约束。

施加荷载的过程如下，

A1)选中所要施加压力的表面，覆盖一层表面效应单元SURF63单元；

A2)生成的shell63单元；

A3)计算shell63单元所受的合力，并将合力平均后，施加到shell63单元的各个节点；

计算shell63单元所受的合力的过程为，

a31)计算shell63单元的面积及shell63单元中心的X、Y、Z坐标值；

a32)将坐标值代入压力随坐标变化的函数式，得到shell63单元中心点处的压力值，并乘以面积得到shell63单元所受的合力；

A6)对每一个表面进行操作，完成后，清除每一个表面上的shell63单元；

A7)进行瞬态分析时，通过APDL语言编程读取修正后的地震波。

步骤5，进行新型装配扶壁式挡土墙静力及瞬态分析，求解结果，

步骤6，进行后处理。

静力作用下新型装配扶壁式挡土墙第一主应力、沿X方向位移分别如图4、图5所示；地震作用下新型装配扶壁式挡土墙在地震峰值时刻的第一主应力、沿X方向位移分别如图6、图7所示。

由图4、图6可知拉应力较大区域出现在扶壁上端与预制墙板连接处、扶壁前端与底板连接处及墙板截面变化处；沿X方向位移由墙底到墙顶逐渐变大，受扶壁的约束作用，墙板变形呈现不连续的起伏状。应力与沿X方向位移均符合力学规律，说明用接触面模拟新老混凝土结合面的方法是可行的。

综上所述，上述方法更加真实的分析了新型装配扶壁式挡土墙结构的应力、位移分布情况，为其结构设计、配筋方案提供了依据。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.基于ANSYS的新型装配扶壁式挡土墙有限元计算方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤1，构建新型装配扶壁式挡土墙的结构模型；

步骤2，采用双剪法确定预制板与二期浇筑混凝土接触面摩擦系数；

步骤3，在ANSYS中建立新型装配扶壁式挡土墙的仿真模型；

步骤4，通过APDL语言编程施加约束与荷载；

步骤5，进行新型装配扶壁式挡土墙静力及瞬态分析，求解结果，并进行后处理。

2.根据权利要求1所述的一种基于ANSYS的新型装配扶壁式挡土墙有限元计算方法，其特征在于：双剪法试件由3块相同尺寸的混凝土试块从上往下依次堆叠组成，中间一块为二期浇筑混凝土试块，上下两块为预制块，在测试时，2块预制块的位置及竖向压力N不变，顶推二期浇筑混凝土试块至接触面滑动，由顶推力峰值F及竖向压力N可得二期浇筑混凝土试块与接触面静摩擦系数μ。

3.根据权利要求1所述的一种基于ANSYS的新型装配扶壁式挡土墙有限元计算方法，其特征在于：步骤2采用整体式建模方式，即将钢筋连续均匀分布于整个建模单元中，并把建模单元视为连续均匀材料，钢筋对整个结构的贡献，通过刚度矩阵EI等效原则提高材料的弹性模量来实现。

4.根据权利要求3所述的一种基于ANSYS的新型装配扶壁式挡土墙有限元计算方法，其特征在于：所述建模单元为ANSYS中的SOLID65单元。

5.根据权利要求1所述的一种基于ANSYS的新型装配扶壁式挡土墙有限元计算方法，其特征在于：新型装配扶壁式挡土墙模型考虑受拉开裂，受压结构关系采用不带下降段的多折线随动强化模型来定义，混凝土破坏准则通过命令TB，CONCR和命令TBDATA输入。

6.根据权利要求1所述的一种基于ANSYS的新型装配扶壁式挡土墙有限元计算方法，其特征在于：接触面采用柔体-柔体接触，接触方式采用面-面接触，借助于ANSYS内嵌的三维接触面单元TARGE170和CONTA173形成接触对来模拟。

7.根据权利要求6所述的一种基于ANSYS的新型装配扶壁式挡土墙有限元计算方法，其特征在于：三维接触面单元在计算时，令CONTA173的KEYOPT(9)＝0，KEYOPT(12)＝2，KEYOPT(10)＝1，其余的关键字和实常数都采用ANSYS程序本身默认的设置。

8.根据权利要求1所述的一种基于ANSYS的新型装配扶壁式挡土墙有限元计算方法，其特征在于：新型装配扶壁式挡土墙底板边界为固定约束，仿真模型两侧边界为纵向约束。

9.根据权利要求1所述的一种基于ANSYS的新型装配扶壁式挡土墙有限元计算方法，其特征在于：施加荷载的过程如下，

A1)选中所要施加压力的表面，覆盖一层表面效应单元SURF63单元；

A2)生成的shell63单元；

A3)计算shell63单元所受的合力，并将合力平均后，施加到shell63单元的各个节点；

计算shell63单元所受的合力的过程为，

a31)计算shell63单元的面积及shell63单元中心的X、Y、Z坐标值；

a32)将坐标值代入压力随坐标变化的函数式，得到shell63单元中心点处的压力值，并乘以面积得到shell63单元所受的合力；

A6)对每一个表面进行操作，完成后，清除每一个表面上的shell63单元；

A7)进行瞬态分析时，通过APDL语言编程读取修正后的地震波。