砖砌体烟囱静动力特性的有限元分析
摘 要:文章借助ANSYS 有限元软件建立了某砌体烟囱的有限元模型,为充分考虑砌体结构承载的实际情况,运用等效体积单元法进行烟囱砌体结构的静、动力特性分析,并与理论计算结果进行了对比,所得结果为现有的砌体烟囱的改造加固提供了理论依据。
关键词:砌体烟囱; 有限元; 静力分析; 动力特性
0 引 言
近年来,由于20 世纪中期的砌体结构进入老化期,越来越多的砌体烟囱需要鉴定、加固、改
造[1 ] 。由于砌体烟囱服役时间较长,其材料强度、结构受力、应力状态均发生较大改变,在加固、改造之前应全面了解结构的强度、受力情况及应力状态。文献[2 ]提出运用等效体积单元法(RVE)进行砌体结构分析;文献[ 3 ]对预应力混凝土砌块砌体抗裂性能进行了有限元分析;文献[ 4 ]使用ANSYS 对砌体结构非线性进行有限元分析, 论述了砖砌体非线性有限元模型、刚度矩阵、破坏准则、裂缝的模拟、砖砌体单元破坏后应力应变关系矩阵的处理, 并提出相应的残余应力的释放方法。
由于砌体结构是由砂浆和块体两种性质截然不同的材料砌筑而成的二相复合材料,所以在有限元建模过程中单元模拟困难。本文借助AN2SYS 有限元软件建立某砌体烟囱有限元模型,应用等效体积单元法(RVE) [5 ,6 ] 进行空间砌体烟囱结构的静力分析,并与传统的理论计算值进行比较,同时对砌体烟囱的动力特性进行分析,得出相应建议,为已有的砌体烟囱安全鉴定、结构可靠度评估以及加固设计提供参考。
1 砌体结构有限元模型
砌体是由砌块和砂浆组成的二相复合材料,对其进行有限元分析常有2 类模型:分离模型和
整体连续体模型。
分离模型是将砌块和砂浆分别建模。整体连续体模型是将砂浆和砌块作为一个整体来考虑,
连续体单元的材料参数可通过以下3 种方式获得: ①试验实测; ② 按规范取值,规范无规定时则根据现有的砌体本构关系和材料性质的有关研究选用; ③根据由复合材料力学发展起来的均质化理论,将所有组成材料的几何和本构信息融入一个代表性体积单元(RVE) 中,按计算确定RVE的等效材料属性。前2 种方式均以试验为基础,较符合实际,且容易获得,应用方便。
由于连续性模型具有离散性模型无法比拟的优越性,因此在结构的有限元分析中应用较为广
泛,但是由于砌体材料的二相组成决定了砌体结构采用连续性模型较难,所以砌体有限元分析中采用连续性模型的关键是推导适用于砌体结构的连续性单元模型。现在国内外学者采用的砌体结构的连续性单元模型是数值模拟后的等效体积单元。
等效体积单元的模拟过程如图1 所示。砌体结构的等效体积单元(RVE) 应该包括:所有的砌
体材料;这些材料周期性连续性地组成砌体结构。等效体积单元( RVE) 在连续模型和离散模型之间提供单元的划分。
2 砌体结构墙体的本构关系
砌体是一种非均质的、各向异性材料,砌缝是其薄弱环节,对其本构关系及破坏准则进行研究
非常困难。国内外已开展的大量研究中大多是基于试验结果的平面受力砌体破坏准则研究,至今仍没有一个被广泛认可的砌体应力应变关系及其破坏准则。砌体是由块材及砂浆(或无砂浆) 交错排列构成的复合体,由于其块材的各向异性和尺寸各异,灰缝厚度不一,故接触面作用机理复杂,另外,砌筑方式及质量的影响使得砌体材料性质十分复杂,因此,已有的研究成果中不仅缺乏对块材、砂浆、接触面各自性能的试验数据,而且缺乏作为复合体的砌体性能的数据。在其微观机理、本构模型、本构关系及破坏准则等基础理论方面的研究相对滞后,研究者一直探求能建立描述砌体结构的非线性全过程分析和适于各种受力情况下有限元分析的合理本构模型,从而推动砌体结构的进一步发展。
材料的应力应变关系是材料内部微观机理的宏观行为表现,材料的正应力2正应变、剪应力2剪应变及杆系构件的弯矩2曲率、轴力2轴向伸缩、剪力2剪切角、扭矩2转角等联系力与变形之间关系的物理方程都可视为材料或构件的本构关系[ 7 , 8 ] 。
本文采用塑性本构模型定义砌块墙体的应力应变本构关系。塑性本构模型最初是基于理想弹塑性材料建立的,完整的多轴塑性本构模型包含加卸载准则、屈服条件及破坏面、强化准则和流动准则;虽然砌体与金属的材料构成、性质和变形等方面差别很大,但这种研究方法仍被借鉴移植到砌体材料本构关系研究中[9 ] 。
这类模型的主要特点是材料进入塑性状态的条件不仅与材料的物理力学性质有关,而且与加载历史及其应力水平有关,卸载后有残余变形。文献[10 ]将砌体当作匀质、非各向同性连续体处理,采用修正的Ramsberg2Osgood 公式,给出了双轴受力状态下的砖砌体全量型应力应变关系,即
ε = (σ/ E) + (σ/ B) n (1)
其中塑性变形部分( (1) 式中第二项) 可分别表示为:
(σn / Bn ) nn = (εnp /εnr ) (2)
(σp / Bp ) np = (εpp /εpr ) (3)
(τ/ Bs ) ns = (γp /γr ) (4)
其中,εnp 、εpp 和γp 是轴向、侧向应变及剪应变;εnr 、εpr和γr 为参考应变水平; σn 、σp 和τ是轴向、侧向应力及剪应力; Bn 、Bp 和Bs 为参考应变水平的应力水平;幂指数nn 、np 和ns 是量纲一常数。
3 实例分析
某砖烟囱,高30 m,顶部出口直径018 m,烟囱筒身坡度为215 %,基本风压ω0 = 0135 kN/ m2 ,7 度
抗震设防,水平地震影响系数取0108[12] 。由于结构使用近15 a ,根据现场的检测结果及相关资料[11] ,材料参数见表1 所列。
分析2 个组合如下:组合一,荷载效应基本组合,即:112 S Gk + 114 SWk + 018 SQik , 组合二, 地震
作用效应基本组合, 即: 112 S Ge + 113 S Ehk +015 S Evk + 014 SWk 。其中, S Gk 为永久荷载标准值;
SWk 为风荷载标准值; SQik 为可变荷载标准值; S Ge为重力荷载代表值; S Evk 为竖向地震荷载作用标准值; S Ehk 为水平地震荷载作用标准值。采用反应谱法对烟囱进行动力分析。采用SOL ID45 单元,共分成4 200 个单元,烟囱底部为固结。建立有限元模型如图2 所示, 分析结果如图3～图6
所示及表2 所列。烟囱自振频率如下:
1 阶,01716 4 ;2 阶,21803 8 ;3 阶,61729 9 ;4 阶,91402 4 ;5 阶,111340 0 ;6 阶,121089 0 。
4 结 论
运用等效体积单元法(RVE) ,通过有限元软件ANSYS 建立空间有限元模型对砌体烟囱进行
分析,得到以下几点结论:
(1) 结构内力计算值比原设计值偏大约10 % ,因为计算时考虑结构使用近15 a ,所以强度降低。
(2) 动力分析表明, 砌体烟囱自振频率为01716 4 ,1 阶振型为囱身侧弯。
(3) 该砌体烟囱通过结构分析,强度降低约为10 % ,建议应该对结构进行加固、改造后才能
继续使用。
运用等效体积单元法(RVE) ,借助有限元软件对空间砌体烟囱进行结构分析,可以很好地考虑在役砌体烟囱的强度减低,所得结果可为在役砌体烟囱的鉴定、加固、改造等提供理论依据。
发渗透破坏的可能性过程中,形成以下认识:
(1) 根据导向钻进铺管工程技术特点,如果管道回拖后穿越孔洞壁与管壁之间填充密实,则形成渗流破坏的可能性较小。实例中,工程施工后地下水渗流场中最大水力坡度为01114 ,远小
于地层的允许水力坡度。
(2) 导向钻进铺管工程,一般布置在堤防设计断面以外,工程施工不会对现有堤防产生直接损害;如果在定向钻扩孔成孔时能及时有效支护,对堤防的影响很小;这种施工技术应该值得推广。
(3) 实例中,模型检验是利用枯水期间河道水位与地下水水位,而检验后模型直接被用于高洪水位期间地下水流场的预测,缺少相应的验证。在今后工作中,应加强地下水水位观测工作,以便对地下水流场预测结果的检验。
