格构梁ANSYS有限元模拟分析实例运用

格构梁的ANSYS有限元模拟分析实例运用

摘要:本文通过一工程实例运用ansys模拟计算。针对格构梁的研究，合理地简化模型，取出1.5米宽的土体、梁和面层单元，两边加对称约束，从而达到模拟空间结构梁的目的。本文还模拟了基坑的开挖过程的时空效应，共分七步，土体在自重应力作用下的沉降为第一步，梁与面层的激活、力的施加和土层杀死共分六步。梁的最大受力状态并不发生在最后一步完成后，而是在第六工况。关键词:格构梁有限元分析模拟分析

中图分类号：k826.16 文献标识码：a 文章编号：

1 土体、梁、锚索和混凝土面层共同作用

基坑支护的受力机理是土体的土压力作用在格构梁和混凝土面层上，混凝土面层的力传递到格构梁上，格构梁再把它受到的力传递到和它相连的锚索上，锚索则和被支护土体嵌固为一体，格构梁和混凝土面层除起到承受土压力外，格构梁还起到平均弯矩和变形的作用，喷射混凝土面层则有保护土体表面，防止土体表面非格构梁作用部位坍塌的作用。

2模型简化及技术处理

根据基坑开挖深度，根据实际的土体性质建立土体模型。格构梁的作用是承受弯矩的，可以选用beam4梁单元，考虑到钢筋混凝土格构梁中有钢筋的作用，其弹性模量、泊松比等设置有所调整。在建模时，如果混凝土面层的长宽与厚度的比都大于5，所以在有限元分析中采用板壳单元可以全面地反映其变形特征和应力分布规

律。混凝土面层用shell63单元模拟，其参数的取值和梁单元相同。由于格构梁的受力性状，锚索的模拟对格构梁的受力影响较小，本模型忽略考虑锚索的模拟。预应力锚索的作用简化为作用在纵横梁交点处的集中力。

对于格构梁和土体、混凝面层之间的接触，模型采用节点耦合，以实现共同变形和受力。

3.1ansys有限元模拟计算

3.1.1模型的参数

1．土体的参数见下表：

表1 土体参数

2．混凝土面层的参数：

弹性模量：＝2.55×1011泊松比：＝0.3天然容重：＝25000 面层厚度：h=0.1m

3．梁的参数：

弹性模量：＝2.55×1011泊松比：＝0.3天然容重：＝25000梁高：h=0.3m 梁宽：b=0.3m截面积：＝9.0×10

3.1.2 土体分工况开挖模拟

1．目的：在施工过程中，土层分步开挖，分层设置锚索格构梁、分段施工进行，最终施加锚拉力。本工程施工难度大，四周都是重要建筑物，为防止土体向坑内倾斜，要求预应力锁定值达到设计值。在施工过程中格构梁的受力是变化的，最终施工完毕时的受力状态

并不一定是最危险的状态，因此需要模拟基坑的开挖过程。

2．技术控制：模型的单元划分基本上都用了手动控制，从而使单元形状比较规则，单元大小合适，便于分步开挖控制。为便于分析，支护单元和土体取1.5m宽，两侧加对称荷载，以保证分析的部分处在整个空间梁系中，底面加全部约束，平行于开挖面的两侧只加x 方向约束。模拟过程分七步，考虑到锚杆打入土体后不能马上施加预应力，待混凝土的粘结强度达80%时才能施加张拉力，再为了施工方便，每个工况在对锚索施加预应力时，土体开挖深度至锚索下1.0米位置。具体工作见表3-3。

表有限元模拟工况表

整个模型离散化为10625个单元、13565个节点。其中包括：10440个solid45单元、56个beam4单元、129个shell63单元。

3.1.3 模拟计算结果及分析

3.1.3.1 位移等值线分析

第一工况是土体在自重应力作用下的沉降，最小沉降量在最下层土体为3.877 mm，最大沉降量在最上层土体为34.891 mm。

第二工况：开挖掉第一层土体后，基坑侧土体由于卸载作用，坑底的土体的沉降变小，同时由于基坑边上地表施工荷载20kpa的作用，整体的竖向沉降变大，底部最小沉降值为4.907 mm，顶部最大值变为44.167 mm。边坡土体由于面层和梁的加固作用，沉降比同层土体小。

3.1.3.2格构梁的内力研究

本文主要工作是研究梁的内力变化，为比较在开挖过程中梁的受力状态，现用梁的弯矩图显示各工况下梁的弯矩值，根据数据文件的弯矩值找出梁的最危险受力状态。

图1各开挖工况下梁的弯矩

计算结果分析：

（1）第二工况最大弯矩值为24.507 kn.m，发生在开挖深度2.5m 处。以后各工况的最大弯矩值分别为23.87 kn.m、27.245 kn.m、27.563 kn.m、27.759kn.m、27.746 kn.m，都发生在开挖深度2.5m 处。

（2）梁每个点的弯矩值都随着开挖在变化。梁的弯矩在开挖深度5m以内的变化值很小，从5m到9m之间梁弯矩随开挖深度的增加变化起伏明显，从9m之后梁弯矩的波动变大，如12.5m处的梁弯矩从-18.371 kn.m变化到7.426 kn.m，从负值变化到正值。因此在对格构梁进行设计时考虑开挖的动态过程是非常有必要的。而且从图中还可以发现一个规律：基床系数越大，在开挖过程中梁弯矩的变化幅值越大。

（3）开挖到第六工况时梁的正弯矩值最大，而不是最终开挖完毕后的值最大，但是差别很小，在0.5%以内。因此梁的设计可根据第七工况的受力状态进行设计。

（4）8m以下是中强风化岩层，图1可以看出基坑开挖到该层上

后，从第五工况往后，每段梁施工完毕时梁的下端的负弯矩都比较大，但当下一段梁施工完后，上一段梁的弯矩值又变小。从第七工况弯矩图可以看出：基床系数越小，力作用的位置处梁的弯矩值越大，最大值点在填土层上，此处和第三章第一个例题得出的结论相似。

4小结

本文选取了一个工程实例介绍了格构梁现场监测的方法及内容，同时本文简单介绍了ansys软件的功能、常用的屈服准则和本文所用的单元类型。针对格构梁的研究，合理地简化模型，取出1.5米宽的土体、梁和面层单元，两边加对称约束，从而达到模拟空间结构梁的目的。模拟计算过程中略去了锚索单元的模拟，把锚拉力以集中力的形式加在格构梁上，对于本文的研究对象格构梁的受力情况没有影响。

本文还模拟了基坑的开挖过程的时空效应，共分七步，土体在自重应力作用下的沉降为第一步，梁与面层的激活、力的施加和土层杀死共分六步。绘制并分析了各开挖工况的y、x方向的位移等值线图，纵梁的弯矩图。

梁的最大受力状态并不发生在最后一步完成后，而是在第六工况。对于每一段梁，在基坑开挖过程中的数值都在变化，梁的弯矩是不断变化的，最终的数值不一定是最大的，有的梁段变化幅值很大，甚至从正值变成负值。

对于梁的设计，我们从施工方便、经济效益方面考虑，一根纵梁