【摘 要】 空間桁架結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于工程各種領(lǐng)域，其結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析及優(yōu)化，是桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)難題。本文利用 ANSYS 軟件，采用APDL語言編制用戶程序，對混凝土運輸系統(tǒng)的桁架結(jié)構(gòu)進行在四種不同設(shè)計方案進行優(yōu)化比選，最終選擇既滿足工程實際又經(jīng)濟的桁架結(jié)構(gòu)。 

【關(guān)鍵詞】 ANSYS 桁架結(jié)構(gòu) 優(yōu)化選型 
　　1 工程概況 
　　混凝土運輸系統(tǒng)是大體積混凝土工程順利實施的關(guān)鍵�；炷潦炝蠌陌韬拖到y(tǒng)出來后經(jīng)水平運輸和垂直運輸?shù)綕仓鳂I(yè)面，施工中，根據(jù)地形、工程量、混凝土性質(zhì)和企業(yè)能力等采用不同的運輸方式。對于水平運輸，中小型工程一般采用斗車或罐車，大型工程一般采用罐車、自卸汽車或皮帶機運輸；對于垂直運輸，中小型工程一般采用溜槽、人工翻倉、汽車吊、輸送泵等，大型工程一般采用塔式起重機、門式起重機、塔帶機和纜機等。 
　　某水庫是一座大（2）型水庫，其進水塔為2級建筑物，相鄰的兩個進水塔高度分別為102m和86m，均為岸坡式建筑物，混凝土工程量13.2萬m3，塔體采用限裂設(shè)計。[1] 
　　結(jié)合兩個進水塔均為岸坡式建筑物，根據(jù)現(xiàn)場地形確定了以下運輸方案。在施工道路旁架設(shè)皮帶機（簡稱1#機）進行水平運輸，通過鉛直布設(shè)的box管進行垂直運輸，box管的下端再架設(shè)一條皮帶機（簡稱2#機）把混凝土輸送給倉面布料機，360°旋轉(zhuǎn)的倉面布料機兩端掛直徑420mm的象鼻溜管進行倉面布料，當(dāng)完成2～3個澆筑層（一般每層3m）需要上升布料機時，用900tm塔式起重機把2#皮帶機和布料機提升布設(shè)，進行下一循環(huán)的作業(yè)。 
　　該方案雖然能夠滿足施工強度要求，資金投入相對較少，但亟待解決混凝土輸送桁架結(jié)構(gòu)選型這一技術(shù)問題。 
　　2 桁架結(jié)構(gòu)的有限元模型 
　　有限元模型建立是否恰當(dāng)會直接影響到工程計算結(jié)果的可靠性。所謂建立模型，就是結(jié)構(gòu)的離散化，對結(jié)構(gòu)施加約束條件和荷載，然后進行計算分析。因此，選擇合適的計算模型和單元模型是十分重要的。 
　　本文中，在建立ANSYS模型時采用桿單元Link8來模擬二力桿，可用梁單元Beam4來模擬可承受拉、壓、彎、扭的受力單元。根據(jù)設(shè)計規(guī)范的要求設(shè)置荷載布置，然后荷載由橫梁傳遞到桁架的各節(jié)點引起桁架共同受力。本文主要從兩個方面對桁架結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，（1）對鋼站柱個數(shù)進行優(yōu)化；（2）對結(jié)構(gòu)中鋼站柱的位置進行優(yōu)化。備選方案總共3個，A方案：鋼站柱兩個，橫坐標(biāo)分別為23m和46m，施加的等效荷載為547.9KN；B方案：剛站柱一個，橫坐標(biāo)為23m，施加的等效荷載仍為547.9KN；C方案：剛站柱一個，橫坐標(biāo)為35m，即位于皮帶機的中間位置下方位置在2/3處，施加的等效荷載仍為547.9KN。不同方案的鋼站柱的位置及其數(shù)量如表1所示。該桁架結(jié)構(gòu)三維模型中包含單元939個，結(jié)點387個。不同方案對應(yīng)的有限元分析模型如圖1、圖2、圖3所示。 
　　有限單元法是一種有著堅實的理論基礎(chǔ)和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域的數(shù)值分析方法。從選擇未知量的角度來看，有限單元法可以分為三類，即位移法、力法及混合法，其中最常用的是有限元位移法。本文擬用混合法對三種方案下桁架架構(gòu)模型進行ANSYS仿真分析，并對三種方案進行對比優(yōu)選。該桁架結(jié)構(gòu)三維模型中包含單元939個，結(jié)點387個。不同方案對應(yīng)的有限元分析模型分別如圖1、圖2、圖3所示。 
　　3 結(jié)果分析 
　　應(yīng)用ANSYS軟件對產(chǎn)品進行模擬和分析時，一般要經(jīng)歷三個步驟，即前處理、求解計算和后處理。具體本文中結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的步驟如下：1）參數(shù)化建立模型；2）求解；3）提取并指定狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)；4）進行優(yōu)化設(shè)計；5）查看設(shè)計結(jié)果。本文桁架結(jié)構(gòu)仿真優(yōu)化分析所使用的材料參數(shù)如下：彈性模量E=2.06×105；泊松比0.3；材料密度7.8×103；容許應(yīng)力215。 
　　空間桁架結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)驗算其強度，剛度和穩(wěn)定性。理論分析和工程實例都表明，當(dāng)空間桁架結(jié)構(gòu)跨度比較大時，其設(shè)計一般是受穩(wěn)定性控制的，且穩(wěn)定分析首要的是計算其臨界荷載。 
　　綜合不同方案的ANSYS仿真計算結(jié)果，分析可知：三種方案中單元的最大拉應(yīng)力及最大壓應(yīng)力均小于Q235鋼的強度215Mpa，即三種方案均滿足強度要求；三種方案桁架結(jié)構(gòu)的位移滿足規(guī)范的要求，均不會發(fā)生失穩(wěn)破壞。結(jié)合工程所處的地質(zhì)條件及地形，并對三種方案計算結(jié)果進行橫向?qū)Ρ确治隹芍篈方案，可滿足設(shè)計要求及工程實際需要，但其桁架結(jié)構(gòu)搭設(shè)難度大，造價高，維修難度大；B方案，可滿足設(shè)計要求及工程實際需要，較A方案而言整體造價有所降低，但剛站柱高度需達到46m；C方案，可滿足設(shè)計要求及工程實際需要，較A、B方案而言造價低，經(jīng)濟效益高，且剛站柱高度只需達到30m，而且桁架結(jié)構(gòu)搭設(shè)難度較A、方案也較低。綜合分析可知，該桁架結(jié)構(gòu)應(yīng)選用C方案。 
　　在工程實際中，在選用C方案的基礎(chǔ)上，又對桁架結(jié)構(gòu)桿件的截面進行了進一步優(yōu)化。為工程創(chuàng)造了更大的經(jīng)濟效益及社會效益。 
　　4 結(jié)語 
　　本文根據(jù)工程的設(shè)計要求及實際需要，在ANSYS10.0環(huán)境下，建立了桁架結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，通過仿真計算得出不同方案中各桿的應(yīng)力、結(jié)構(gòu)的位移。有限元計算結(jié)果表明：三種方案下的桁架結(jié)構(gòu)均能夠安全承載，其最大應(yīng)力值和最大變形量均在允許的設(shè)計范圍內(nèi)，不會引起結(jié)構(gòu)的破壞或變形量過大。結(jié)合桁架的實際工作環(huán)境及工程造價、經(jīng)濟效益，我們優(yōu)選C方案為最終方案�；贏NSYS的有限元三維仿真分析為結(jié)構(gòu)安全驗算及方案優(yōu)選提供了理論依據(jù)和積極的現(xiàn)實意義。 
　　參考文獻： 
　　[1]董旭剛.桁架結(jié)構(gòu)的有限元分析與優(yōu)化設(shè)計研究.西安理工大學(xué)，2005.03. 
　　[2]胡燕東.工程起重機中超靜定桁架結(jié)構(gòu)的彈性穩(wěn)定性分析.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.06.