ANSYS在潭江桥主墩承台施工中的应用

摘要：以潭江桥主墩承台的施工为例，介绍ANSYS有限元软件在实体结构受力分析中的应用。详细描述结构在不同工况下的分析，受力模型的选择，单元的选择、单元的网格划分和后处理分析。

关键词：ANSYS；主墩承台；封底混凝土；后处理

Abstract: pool river's bridge main pier bearing platform construction as an example, introduced in entity structure stress analysis, the application of ANSYS finite element software. Detailed analysis of the structure under different conditions, the mechanical model of choice, unit selection, unit of meshing analysis and post-processing.

Key words: ANSYS; The main pier bearing platform; Bottom sealing concrete; The post-processing

中图分类号：TU997文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)

前言：ANSYS 通用有限元是计算机辅助工程（CAE）设计分析类软件。ANSYS软件是融结构、热力学、流体、电磁和声学等于一体的大型通用有限元分析软件，可广泛用于核工业、铁路与公路交通、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车、电子与家电、国防军工、造船、生物医学、轻工业、地矿、水利水电以及土木建筑工程等方面的科学技术研究。该软件在土木建筑工程方面的应用越来越广泛，强大的前处理和后处理模块保证了异形结构在复杂外力下受力分析的精确。

1、工程概况

潭江大桥改造工程，位于开平市三埠镇长沙与新昌之间跨越潭江河，大桥全长328.00m，桥梁结构类型为：主桥：宽度31.50m、58m跨下承式钢管混凝土系杆拱桥；引桥：宽度30.50米的预应力钢筋混凝土空心板和变宽普通钢筋混凝土箱梁。主桥共有两个承台，两个承台尺寸和标高一样。承台外轮廓尺寸：长为34.10m，宽为6.50m，为哑铃型结构。承台顶面标高为+1.50m（珠基），底面标高为-1.00m。每个承台有12根φ=1800的冲孔灌注桩。潭江河面临南海，水系受海水潮汐影响，最大流速为+0.8m/s,最小流速为-0.60m/s；常水位为+0.50，低水位为-0.5m，5年一遇最高水位为+2.24m。主墩承台施工方案拟定采用钢套箱围堰，1m厚的c30封底混凝土封水，当结构转换时，封底混凝土需要承担结构混凝土荷载、钢套箱荷载和施工荷载。

2、问题的提出

封底混凝土依靠其与主墩桩钢护筒的握裹力，作为施工结构支承结构。在满足握裹力的情况下，封底混凝土强度和刚度是否满足要求，关乎到整个主墩承台施工的安全，是承台施工成败的关键。结构力学和材料力学的知识不足以对封底混凝土进行精确的力学分析，进行结构安全验算，来保证封主墩承台施工的安全。首先，封底混凝土在承受竖向荷载的情况下，桩护筒对封底混凝土的约束是依靠他们之间的握裹力来实现。以一根桩护筒和封底混凝土的约束为例进行分析，这个约束是通过一个空间面来实现，当封底混凝土处于复杂的空间应力状态下，握裹力可以约束封底混凝土约束面的竖向位移，但是不能约束约束面的径向位移。结构力学无法描述这种空间面约束，一般情况下都是将约束简化成一个点，如果我们对封底混凝土的受力分析中忽略这种情况，认为桩护筒和封底混凝土以刚节点的形式存在，或者认为桩护筒对封底混凝土的面约束是竖向和径向约束，那么我们计算所得的结果将离真实结果甚远。其次，封底所用混凝土是脆性材料，整块封底混凝土由12根桩护筒握裹力支承，封底混凝土在自重和外部荷载的作用下，处于空间受力状态，各处应力状态不同，必须保证封底混凝土每点应力不超过允许值，才能保证整块封底混凝土的安全。复杂的边界条件下，用常规力学方法无法准确计算各点应力状态。所以，必须寻求一种方法，借助计算机技术模拟封底混凝土的边界条件和各种工况，才能比较精确计算封底混凝土的空间应力状态，才能保证安全。

3、方案的选择

在无其他更好选择的情况下，为了解决封底混凝土应力分析遇到的问题，采用ANSYS有限元模拟封底混凝土的受力情况，对封底混凝土进行受力分析。

3.1封底混凝土单元选择

考虑到封底混凝土是脆性材料，混凝土内没有钢筋，只需要关心混凝土的其最大主拉应力。当最大主拉应力达到限值，材料就破坏，而不需要考虑材料压碎后的性能和进入塑性后的性能，只需分析材料在弹性状态的最大主应力，也就是封底混凝土是在弹性状态下工作，所以选择具有20节点的solid95单元模拟封底混凝土。采用mesh200单元辅助单元格划分。

3.2材料特性

在分析过程中，认为封底混凝土处在线性弹性状态，C30混凝土弹性模量EX=3E10MPa，泊松比按照工程上的习惯取PRXY=0.23,

3.3模型的建立与网格划分

采用ansys自带的建模工具建立模型平面图，然后采用网格划分工具将平面划分单元格，网格尺寸控制为0.2m。然后将平面单元竖向拉伸成体单元，竖向单元尺寸也控制为0.2m。最终将封底混凝土实体模型划分为六面体单元。

模型平面图平面单元格最终实体单元

3.4施加约束

约束的施加必须和实际结构约束一样，或者产生的结果和实际结构一样。在本工程中，封底混凝土的约束主要为桩护筒对其的约束。该约束必须要达到使封底混凝土在其与护筒接触面处没有相对的竖向位移，但是不能约束其水平位移，但是封底混凝土作为一个整体也不能有水平的位移。为此，我们如此添加封底混凝土的约束：在封底混凝土和桩护筒接触的位置，添加竖向约束UZ。为了使封底混凝土单元是一个空间几何不变体，在单元外侧选择一个节点，为其添加水平约束UX,UY和竖向转动约束ROTZ。这样的约束和握裹力对封底混凝土的作用的实际情况相符，只约束握裹力提供处的混凝土的竖向位移，不阻碍混凝土的径向位移，其作为一个整体的时候也是一个空间几何不变体。

3.5施加荷载

封底混凝土的荷载包括体荷载和面荷载。体荷载是由封底混凝土自重产生的，面荷载是由浇筑的承台混凝土和水的浮力产生的。面荷载添加在封底混凝土的顶面。最不利荷载有以下两种工况：1、未浇筑混凝土时，处于高水位；2、浇筑完承台混凝土时，处于低水位。工况和荷载如下表所示：

3.6后处理

经过软件计算后，对需要的结果进行查询。由于只是关心封底混凝土有没有出现开裂，所以只查询封底混凝土的最大主应力，也就是第一应力强度。当主应力未达到混凝土设计抗拉强度，认为封底混凝土是安全的。最不利工况的计算结果如图所示：

最大主应力SMX=797.54kPa≈0.80MPa，封底混凝土为C30水下混凝土，抗拉强度设计值f=1.39 Mpa> SMX=0.80Mpa，且f/SMX=1.74，满足安全要求。最大位移为DMX=0.56E-7Km≈0.06mm，位移接近于0。从应力图可以看出，拉应力最大处是刚度突变的地方，在刚度突变处，我们附加钢筋，增加混凝土的塑性，避免应力集中而脆性破坏。

结语：谭江大桥的主墩承台在2010年7月完成混凝土的浇筑，利用封底混凝土作为承台混凝土施工的支承结构最终成功。实践证明了ANSYS有限元软件的分析结果。在潭江大桥主墩承台的封底混凝土验算中，我们忽略了一个有利的条件，就是水对封底混凝土的侧压力。该侧压力在一定程度上挤压封底混凝土，在增加了混凝土塑性的同时也限制了混凝土向外侧位移，对混凝土有一个预压应力，降低了混凝土的拉应力。ANSYS有限元软件应用，使工程上复杂结构和特殊结构的分析得到量化的计算结果，安全得到进一步保障。