多层复杂结构有限元应力分析方法

　　0引　言

　　多层结构是指同一结构体系中，采用两种或两种以上不同材料组成的承重结构体系.常用的的多层复杂结构有由钢筋混凝土和砖墙承重的结构体系砖砌体结构，亦称砖混结构.过去曾有过用木与砖墙承重组成的结构体系，称为砖木结构，目前已很少采用.这类多层复杂结构均存在受力分析的问题，且很难解决.

　　对于不同材质材料组成的复杂结构进行应力分析，通常采用的理论解析方法推演繁琐，边界条件和载荷形式有很多限制，而且结构的分析方法也简化过甚，不能透彻的反映结构受力实际情况.施工设计时往往都是依靠工程师的实际工程经验，这样就会出现设计偏差.由于这些设计误差，在施工中经常会使结构破坏，延误工期，甚至造成重大的经济损失.

　　针对这类多层复杂结构，利用ANSYS软件，对这种复杂结构进行三维有限元建模，合理的加载载荷，选取适当的边界条件，进行数值分析，得到了准确直观的结构应力状况，为该类问题的工程设计，合理的制定施工工艺，提供了科学依据.

　　下面以磷酸反应槽的拱壁的应力分析为例来详细阐述这一分析方法.

　　1　问题描述

　　磷酸反应槽是磷酸装置生产工艺过程中的关键设备之一，是磷酸反应的心脏，特别容易被腐蚀，因此磷酸反应槽的拱壁结构设计施工非常复杂.

　　绝大多数磷酸反应槽外部采用钢筋混凝土作为基槽体，内部先内衬橡胶，再衬碳砖的防腐模式[1]，三者之间利用胶泥粘连，如图1所示.

　　三者材料性质差别很大：混凝土是复合材料，材料的均质性很差，应力和应变成非线性关系;碳砖是脆性材料，外力作用下(如拉伸、冲击等)仅产生很小的变形即破坏断裂;橡胶弹性材料，收缩性很强.在砌筑时碳砖经常会开裂.

　　为了分析这种多层复杂结构的砌筑时应力状况，并找出碳砖开裂原因.敖敏龙等人利用工作经验进行过初探[2]，指出开裂的原因可能是由单块碳砖承在砌体中所受弯、剪、拉的复合应力和胶泥收缩变形对其产生的拉应力导致，但是并没有指出应力最大处和最大值.本文采用采用ANSYS软件对该结构进行有限元分析，可以直观的表示出结构的受力分布情况，可以为设计分析设计时提供参考.

　　某现场施工方法是先砌拱门两边直线部分和两边部分拱弧(拱顶少2块砖)，固化后再砌拱顶两条碳砖.反应槽拱壁结构尺寸图如图2所示.

　　但是根据现场施工资料反应，当反应槽拱的顶部两条碳砖砌好干固后，拱顶部碳砖开裂毁坏.为了找出事故原因，对此拱壁碳砖作三维有限元分析，以获得拱壁碳砖的最大应力部位和应力场分布.