基于Ansys的地下皮带廊受力分析及设计优化研究

陈 生 年

(沈阳铝镁设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110001)



基于Ansys的地下皮带廊受力分析及设计优化研究

陈 生 年

(沈阳铝镁设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110001)

利用大型通用有限元软件Ansys,模拟了钢筋混凝土地下皮带廊的受力状态，通过调整皮带廊顶板、侧壁、底板的厚度，分析了不同厚度组合下的结构内力，依据内力结果调整地下皮带廊的配筋，对比了不同厚度组合下的混凝土、钢筋及总工程造价，得出了较为合理的截面厚度组合，达到了优化设计的目标。

地下皮带廊，Ansys，结构设计，受力分析

0 引言

地下皮带廊是工业生产过程中比较常见的输送系统。由于其结构形式简单，常常不为设计者所重视，因此，由于设计考虑不周而出现强度不足、开裂严重等质量问题，或者截面、配筋较大，造成不必要的浪费。为解决这一问题，本文利用大型通用有限元软件Ansys对钢筋混凝土地下皮带廊进行受力分析和设计优化研究。

1 工程实例

某大型氧化铝厂预均化堆场子项，铝土矿经过破碎后，由地上皮带运输至干料堆场，堆料高度6 m，干料容重1.45 t/m3，干料安息角为35°。干料通过卸矿漏斗输送到地下皮带廊内的皮带运输系统，转运到下一个工艺的生产车间。地下皮带廊底板顶标高为-8 m，净宽3 m，净高2.8 m，长度200 m，地面标高±0.000，地下水埋深较深可不考虑其影响，皮带廊顶填土容重1.8 t/m3。车间配置剖面图如图1所示。在此条件下设计钢筋混凝土地下皮带廊的截面和配筋。

2 结构有限元建模分析

2.1 单元选择

整个地下皮带廊全长200 m，各处截面均相同，所受荷载均为土压力，变形均发生在平面内，属于平面应变问题。因此，采用Ansys建模时，可只建立1 m长结构模型。为模拟顶板、竖壁、底板的弹性嵌固作用，有限元软件中单元类型采用Beam3单元，该单元是一种可承受拉、压、弯作用的单轴单元。单元的每个节点有3个自由度，即沿x,y方向的线位移及绕z轴的角位移[1]。Beam3单元实常数中梁宽为1 m，梁高定义为一个变量，以便于进行Ansys命令流的编制和参数化计算。单元模型如图2所示。

2.2 结构分析模型

钢筋混凝土地下皮带廊上部覆土较厚、堆料高度较高，为满足结构强度和刚度要求，暂取底板厚0.5 m、壁板厚0.4 m、顶板厚0.4 m。在Ansys中采用牛顿、米单位制。采用直接建立节点坐标法建立节点，再通过节点生成单元。单元尺寸为0.1 m，共建立结点数量124个，单元数量124个。

地下皮带廊是个对称结构，两侧土压力大小相等、方向相反，可对结构模型做适当的简化。底板上土的反力通常是将土体等效为土弹簧，上部荷载作用时弹簧受压变形，产生的反力反作用于底板上。考虑到土弹簧刚度受土层参数影响较大，不确定性较多，而钢筋混凝土地下皮带廊底板为整体筏板，整体性非常好，故可不模拟土弹簧的作用，而是直接将土弹簧的反力施加于皮带廊底板处。通过对地下皮带廊的受力和变形分析可知：皮带廊两侧荷载相同，结构水平方向约束反力应为零，底板和顶板跨中位置只发生竖向变形而无水平方向变形，在此位置节点施加水平方向约束不改变结构受力状态；底板反力与顶板的荷载、顶板、竖壁、底板自重的总和是平衡的，参照顶板、底板的做法，竖壁中点位置施加竖向节点约束对结构受力影响较小。

2.3 荷载和荷载组合

作用在钢筋混凝土地下皮带廊上的外荷载为恒载和活载。恒载为结构自重加土压力，活载为堆料荷载。恒载、活载对结构均为不利作用，根据恒载、活载的大小，可判定荷载组合可只考虑两种组合情况：承载力极限状态下可变荷载控制的荷载效应设计值以及正常使用极限状态下荷载准永久组合的荷载效应设计值[2]。

3 有限元计算结果分析

Ansys结构计算完毕进入后处理程序。调用单元节点弯矩，绘制整个结构在承载力极限状态荷载组合作用下结构弯矩图，如图3所示。

由图3可知：

1)顶板、底板跨中位置内侧受拉、外侧受压；

2)顶板、底板靠近竖壁位置外侧受拉、内侧受压；

3)顶板、底板最大弯矩位于跨中位置，并非顶板、底板与竖壁交界位置，说明竖壁对顶板、底板的约束作用有限，达不到固定约束，为弹性嵌固作用；

4)竖壁全部外侧受拉、内侧受压，说明顶板、底板有不平衡弯矩传给竖壁，导致竖壁外侧均为受拉；

5)竖壁截面最大弯矩位于竖壁与顶板、底板交界位置。

4 地下皮带廊结构设计优化

为了减少工程造价，钢筋混凝土地下皮带廊顶板、竖壁、底板采用多种板厚组合：组合一，顶板0.5 m，竖壁0.4 m，底板0.5 m；组合二，顶板0.5 m，竖壁0.3 m，底板0.5 m；组合三，顶板0.5 m，竖壁0.4 m，底板0.6 m；组合四，顶板0.5 m，竖壁0.3 m，底板0.6 m；组合五，顶板0.4 m，竖壁0.4 m，底板0.5 m；组合六，顶板0.4 m，竖壁0.3 m，底板0.5 m。各组合在承载力极限状态下，各个控制截面的弯矩设计值如表1所示。在荷载准永久组合作用下，控制截面的弯矩设计值如表2所示。

表1 承载力极限状态下控制截面弯矩设计值 kN·m

由表1可知：

1)顶板、底板跨中弯矩均大于支座弯矩，说明竖壁厚度不大于顶板、底板厚度时，其约束作用有限，为弹性嵌固；

2)随着竖壁厚度的减小，其对顶板、底板的约束作用逐渐减弱，顶板、底板支座位置分配给竖壁的弯矩逐渐减小；

3)随着顶板、底板相对厚度的增加，其承担的弯矩逐渐增加。

表2 荷载准永久组合作用下控制截面弯矩设计值 kN·m

依据表1，表2(用于计算裂缝是否满足规范要求)以及混凝土受弯构件最小配筋率要求[3]，计算并配置钢筋混凝土地下皮带廊受力钢筋如表3所示。表3中①～⑥钢筋布置图如图4所示。

表3 地下皮带廊受力钢筋表

统计六种组合下的材料量并进行工程造价对比，如表4所示。

表4 皮带廊材料及造价表

由表4可知：

1)采用顶板0.4 m，竖壁0.3 m，底板0.5 m板厚时，地下皮带廊结构费用最小；

2)上述板厚组合条件下，壁厚越小，结构费用越低。

5 结语

1)竖壁对顶板、底板的嵌固作用有限，为弹性嵌固，实际工程中顶板、底板跨中弯矩较支座弯矩大，这点应引起注意。

2)竖壁所受荷载较小，减小竖壁厚度对降低结构费用有利。

3)顶板、底板跨中主受力钢筋按裂缝控制计算得来，切不可只满足强度计算要求。

4)由于①，②，③，⑤钢筋为构造配筋，按最小配筋率计算得来，故减小壁厚对降低结构费用有利。

[1] Ansys公司理论手册[Z].

[2] GB 50009—2012，建筑结构荷载规范[S].

[3] GB 50010—2010，混凝土结构设计规范[S].

Research on force analysis and optimization design of underground belt corridor based on Ansys

Chen Shengnian

(ShenyangAluminumandMagnesiumDesign&ResearchInstituteLimitedCompany,Shenyang110001,China)

Using the large-scale general finite element software Ansys, this paper simulated the force situation of reinforced concrete underground belt corridor, by adjusting the belt corridor roof, side wall, base plate thickness, analyzed the structure internal forces under different thickness combination, according to the internal force results adjustment of the reinforcement of underground belt corridor, compared the concrete, reinforced and total engineering cost under different thickness combination, concluded that the reasonable section thickness combination, achieved the goal of optimization design.

underground belt corridor, Ansys, structure design, stress analysis

1009-6825(2016)20-0033-02

2016-05-09

陈生年(1981- )，男，硕士，工程师

TU311.3

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