ANSYS有限元软件在某古建筑受力分析中的应用

陈李锋

(福建福永工程技术有限公司　福建福州　350012)



ANSYS有限元软件在某古建筑受力分析中的应用

陈李锋

(福建福永工程技术有限公司福建福州350012)

古建筑材料特殊、结构复杂，在工程研究中较难分析其内部的应力分布，文章通过例子介绍ANSYS有限元软件在古建筑受力分析中的应用。

有限元；古建筑；应力分布

0　引言

近年来，随着社会经济的不断发展，加强对文物建筑的保护，继承中华民族优秀的历史文化遗产越来越迫切。由于古建筑建造年代久远，受当时条件所限，部分古建筑结构构件传力路线不明确、内力分布复杂，加上年久失修，存在很大的安全隐患。建筑结构加固设计前需要探明其病害的原因，才能采取较合理的方案对其病害进行加固处理，因此古建筑加固设计前需要在勘查中探明残损现状，进而进行科学的分析计算，在论证的基础上，做出古建筑造成当前残损现状原因的判断，避免误判，造成损失。本文通过ANSYS有限元软件对某古建筑进行受力分析，通过分析应力云图协助判定其病害的原因，取得良好的效果。

1　古建筑ANSYS建模方法

有限元法在工业界的应用已超过一百年以上的历史。经过科技革命，计算机出现及发展使得有限元理论得以长足的发展，有限元分析结构的受力情况在工程应用中已经相当成熟。有限元分析理论从Matrix Structural Analysis的方法发展开始，首先应用于Beam及Truss为主的钢构上，此后将理论引用至各个物理领域。ANSYS是随着计算机的发展，以有限元分析理论为基础而开发出来的一个大型有限元分析软件。利用ANSYS有限元软件对古建筑进行受力分析可大致分为以下3个步骤[1，2]。

1.1前处理阶段

总的来说，前处理阶段就是根据需要分析的古建筑的特性选用适当的元素，定义元素特性及材料性质、建立古建筑的实体模型并产生有限元模型。ANSYS中的元素种类以空间的立场来分类，可以分为点元素、线元素、面元素及体元素，除此之外，ANSYS的元素库中还包含许多其他的元素，例如以Surf开头的表面现象元素、以Cont开头的接触元素等。建模时应根据古建筑材料的性质及整体结构的受力特点，对古建筑的受力做合理的假设与简化，挑选出合理的元素种类，进入下一阶段的工作。选好了元素后，要对元素的特性进行设置，即设置Real Constant。元素的特性设置须以古建筑真实几何模型的特性及古建筑材料的特性为依据。

材料特性设置完后进入实体模型的建立，建立实体模型可采取从上而下(Top-Down)或从下到上(Bottom-Up)两种方法，在一个比较复杂的实体模型建模的过程中两种方法经常是混合使用的。实体模型建完后即可以通过对实体模型的网格划分把定义好的元素特性赋予实体模型，经过网格划分后的实体模型才可进行计算分析。

1.2计算分析阶段

1.3后处理阶段

后处理器最主要的任务是将有限元计算分析的结果以图形或文字的形式表现出来，以供判断分析之用。在文字输出的信息方面，包含节点及元素的变形量、应力及应变等数据。对构造简单的模型来说，所提供的文字信息或许已经足够。但对复杂的模型而言，庞大的文字信息反而造成用户无所适从的感觉，因此往往需要在图形情息中，利用颜色深浅变化的情况来分析建筑物的应力应变分布情况。在模型线性分析的基础上，还可以在计算分析中对不同的工况进行分析计算，利用后处理技术读取多个工况组合计算的结果。

2　工程实例

2.1工程概况

某土楼建于公元1912年(民国元年)，1917年建造而成，占地5 000m2。该土楼的建筑结构奇特，圆楼外左右有对称的半月形馆相辅，外观建筑恰似一顶封建官吏的乌纱帽，主体是以我国神奇的八卦楼所布局，是楼中有楼的二环楼。外环楼是架梁式的土木结构，内环楼是砖木结构，有外土内洋之称。外环楼墙是当地取材的生土经加工后夯筑而成，墙内每10cm厚布满竹板式木条作墙筋，楼高19m。内外三环共有208个房间。第一层作厨房和饭厅，二层作粮仓，三、四楼则为卧室。每层楼有房间40间，配4副楼梯，按八卦方位设计，乾巽艮坤卦位为公共场所，分别为后厅、门厅和左右侧门；坎震况离卦方位为住房，各配楼梯，概设门户，户闭自成院落，卦门开连成整体，卦与卦之间设防火隔墙，建造成辐射状八等分，每封之间设有男女浴室和猪舍。具有卦门开即连成一体，卦门闭则自成小单元。

楼中楼是二层建筑的砖木结构，内有石雕柱脚、木刻门面，有琉璃瓦当和窗户，二楼走廊栏杆是铸铁铸成有梅兰菊竹为图案的栏杆，紧连着全楼中的中心大厅——楼中的重要活动中心场所，作议事厅、宴客厅，并可兼做戏台。

2.2ANSYS模型计算分析

本文就该剖面土墙建立ANSYS有限元模型，分析计算得出其应力云图，与现场的土墙裂损现状进行分析比较，分析裂缝产生的原因，以供最终确定对该土墙加固修复的方案参考[3]。根据现场查勘情况可知，该土墙主要是由土体夯筑而成，其材料属颗粒状材料，此类材料受压屈服强度远大于受拉屈服强度，且材料受剪时颗粒会膨胀，因此，土墙土体的模型采用了Drucker-Prager本构模型，流动法则采用关联流动法则，即膨胀角和内摩擦角相等，按照经验值均取8°。选取墙体剖面建立模型，采用三节点三角形单元进行分析，因本工程仅进行二维剖面分析，模型较为简单，仅采用自由划分单元即可。边界条件：土墙基底为刚性边界，各节点在水平向及竖向位移均受到约束，上部及土墙左右边界侧均为自由边界[4]。

根据土墙x方向应力云图(图2)可知，土墙x方向应力出现在底部基础约束区域，而在临近门洞的洞口上侧弧顶位置及洞口下侧均出现正应力即拉应力，土墙抗拉强度较差，因此在这些拉应力出现的区域容易出现裂缝。分析的结果与现场勘察发现土墙裂缝主要出现在门洞顶部，且裂缝宽度在靠近门洞位置最大，裂缝性状为一端宽，沿着裂缝另一端方向宽度逐渐变小的现状相吻合。根据土墙y方向应力云图(图3)可知，y方向应力总体来说从顶层至底层逐渐增大，均表现为负应力即压应力，在同一标高处门洞两侧比其余墙体压应力要大，在底层右侧拱脚位置的墙段达到最大值，这与现场勘察发现的大部分墙体该墙段位置出现竖向裂缝，裂缝性状表现为中间宽两端窄，且局部出现砖块被压碎的现状相吻合。

从xy方向剪应力云图(图4)可知，该土墙剪应力在各门洞顶部拱券[5]45°位置剪应力较大，在局部墙体变截面处出现应力集中现象，加固中需适当的加强。

根据上述ANSYS模型计算结果分析并结合现场裂损现状，明确了引起该建筑物结构病害的原因，在加固设计时就可以对症下药，如在拱顶裂缝进行修复后须解决其抗拉强度不够这一根本原因，才能从根源上消除原有的病害；同时底层墙段由于抗压承载力不足引起的裂缝修复后同样需要解决其抗压承载能力不足这一根本原因，才能使得结构在修复后不会重复产生同样原因的病害。

2.3针对ANSYS分析结果的加固方法

根据以上分析结果，采用具体方案进行维修加固。针对拱劵顶部位置分析结果由于水平向拉应力而产生的裂缝，采用封闭钢板箍加固，钢板箍沿拉应力的方向布置，提高拱顶水平向抗拉能力；针对拱脚分析，由于竖向压应力产生的裂缝，采用环贴钢板箍加固，钢板箍方向垂直于压应力方向布置；针对在各门洞顶部拱券45°位置剪应力较大问题，由于原建筑尚未出现具体病害，说明原建筑该部位承载力尚能满足要求，考虑到古建筑尽量保持原有风貌的原则，暂不处理。

根据本文分析后出具的针对性加固维修方案，经过维修加固后，本工程使用至今已三年左右，使用效果良好。

3　结论

本文通过概括性的介绍了ANSYS有限元软件在结构受力分析中建模的基本过程，并通过实际工程实例建模分析，探明了该古建筑土墙裂损的原因，以供确定其结构加固修复方案参考。从中可以看出ANSYS有限元软件在以构件传力路线不明确、材料特殊及结构复杂为特点的的古建筑受力分析中具有优越性，通过应力云图可以直观地得出正负应力的分布情况以查明应力集中的具体位置并确定结构的薄弱环节，因此ANSYS有限元软件在探明古建筑应力分布情况、分析古建筑结构残损原因、明确加固方法等方面可起到一定的作用。本文的工程实例经受力分析后确定加固设计方案，加固后交付使用，加固效果明显。

[1]Saeed Moaveni. Finite Element Analysis: Theory and Application with ANSYS, Second Edition

[2]康渊，陈信吉.ANSYS入门(第三版)[M].北京：中国电力出版社，2007

[3]刘大可.古建筑屋面荷载汇编[J].古建园林技术，2001

[4]GB5009-2001 建筑荷载规范[S]

[5]王效青.中国古建筑术语辞典[M].太原：山西人民出版社，1996

陈李锋(1984.10-)，副总工，工程师，主要从事结构加固设计、施工方面的工作

The Application of ANSYS Finite Element Software on Force Analysis for an Ancient Architecture

CHENLifeng

(FUJIAN FUYONG ENGINEERING TECHNOLOGY CO.,LTD,Fuzhou 350012)

It’s difficult to analysis the stress distribution in the ancient architecture because of it’s complex structure and special materials, the analysis on the stress distribution of an ancient architecture is carried out in this paper for your reference.

Finite element; Ancient architecture; Stress distribution

陈李锋(1984.10-)，工程师。

E-mail:154157152@qq.com

2016-01-04

TU311

B

1004-6135(2016)03-0057-03