基于ANSYS的橡胶坝双锚筋锚固系统模拟

2010-04-25任广云

山东水利 2010年3期

郭玮，林娜，任广云

（1.山东农业大学，山东泰安 271018；2.临沂市水利勘测设计院，山东临沂 276001；3.临沂市水利局，山东临沂 276001）

ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。可用来求解外载荷引起的位移、应力和力。通过ANSYS有限元软件模拟分析高强螺栓连接压板与垫板的新型螺栓压板锚固型式能够直观、清晰的看出锚固构件及橡胶坝底板在外荷载的影响下引起的位移、应力变化。本文以坝高5m,内压比1.3的橡胶坝为例，介绍高强螺栓连接的双锚筋锚固型式的理论分析、计算及ANSYS有限元的模拟。

1 高强螺栓压板式锚固系统简介

1.1 理论分析

新型高强螺栓压板锚固型式（如图1）将传统螺栓压板锚固结构按传力条件分成两部分，一是锚板与坝袋的连接，二是锚板与橡胶坝底板钢筋混凝土的连接。第一部分采用高强螺栓连接锚板与坝袋，锚板与坝袋的连接通常采用摩擦连接，原理是通过拧紧螺母，对螺杆施加强大而又受控的预拉力，预拉力通过锚板、压板将橡胶坝袋夹紧，依靠坝袋与锚板间的摩阻力来承受坝袋的径向拉力；第二部分使用两根对称布置的锚筋连接锚板与橡胶坝底板钢筋混凝土，通过橡胶坝底板钢筋混凝土对锚筋括约力提供锚筋的锚固力。

要承受坝袋的径向拉力，螺栓需要承受的预拉力较大，若采用普通螺栓，由于强度低，需要的螺栓直径较大，不经济，可采用高强螺栓。经过大量的试验研究和工程实践证明，在承受反复荷载作用下，高强螺栓的预拉力不会松弛，螺杆不会因疲劳而折断，由于具有耐疲劳，工作安全可靠等特点，高强螺栓已被广泛应用于钢结构连接中，尤其应用于承受动载的结构中。

新型螺栓压板锚固型式锚筋的受力特点是：锚筋只承受了坝袋的径向拉力，即锚固件所受的“外力”，由高强螺栓提供锚板对坝袋的挤压力来承受坝袋的锚固力（锚板与坝袋之间的摩阻力），即锚固件所受的“内力”。锚筋所受的拉力大大减小，因此，锚筋的直径可大大减小。另外，由两根锚筋锚固在底板内，能够较好的承受坝袋拉力产生的弯矩。

图1 新型螺栓压板式锚固构件示意图

1.2 实际工程计算

1.2.1 锚筋的直径计算

根据传力预埋件的计算公式：

（1）设α为坝袋与水平方向的夹角。当α＝0°时，埋件为直锚筋式的受剪埋件

锚筋截面积As按下式计算：

设锚筋采用 Q235，fy为 210N/mm2；底板混凝土为C25，fc为12.5N/mm2，计算结果：坝高为 5m时锚筋理论截面积 325.3mm2。

（2）当 α＝90°时，埋件为拉、弯埋件

锚筋截面积As按下式计算：

经计算得：双锚筋理论截面积622.47mm2。

综合两种工况，锚筋选用 2Φ20，实际截面积628mm2。根据要求，锚筋长度选用25d，即50mm。

1.2.2 高强螺栓的计算

在抗剪工况下，每个高强螺栓的承载力设计值按下式计算：

式中：nf为传力摩擦面系数，取1.0；μ为摩擦面的抗滑移系数，钢板与橡胶的抗滑移系数，一般取值0.2～0.4；P为一个高强螺栓的预拉力，按表1采用。

表1 一个高强螺栓的预拉力P(kN)

在螺栓杆轴方向受拉的工况下，每个高强螺栓的承载力设计值取=0.8P。

在同时承受摩擦面间的剪力、螺栓杆轴方向的外力时，其承载力按下式计算：

式中：NV、Nt为高强螺栓所承受的剪力和拉力；为高强螺栓的受剪、受拉承载力设计值。

由于坝袋的径向力是由压板与橡胶坝袋之间的摩擦力承担，故螺栓仅受杆轴方向拉力。故NV=0。适用螺栓型号见表2：

表2 坝高5m时螺栓型号表

因10.9级高强螺栓造价较高，故该橡胶坝选用8.8级M24的高强螺栓。

2 锚固构件及坝底板的模拟

锚固构件及坝底板的模拟分析采用ANSYS10.0有限元分析软件，建模过程自底向上进行实体建模，从最低级的图元向上构造模型，即：首先定义关键点，然后依次是相关的线、面、体。然后通过反复运用布尔运算，建成如下图所示模型，并经过ANSYS程序的自由网格划分器功能是十分强大的，可对复杂模型直接划分，避免了对各个部分分别划分然后进行组装时各部分网格不匹配带来的麻烦。自适应网格划分是在生成了具有边界条件的实体模型以后，指示程序自动地生成有限元网格，分析、估计网格的离散误差，然后重新定义网格大小，再次分析计算、估计网格的离散误差，达到一定求解次数。