ADINA中鋼筋預應力施加方法分析

張學菊

(寧夏水利水電勘測設計研究院有限公司 銀川 750004)

預應力鋼絞線的精確描述目前在國內外尚未見諸于文獻,但關于鋼絞線的定性描述一般使用三維空間桿單元進行模擬[1],例如 ADINA程序中的Rebar單元,ANSYS中的 Link8單元等[2,3]。因此,在此基礎上結合南水北調中線京石段應急供水工程麻黃溝預應力鋼筋混凝土渡槽的實體模型進行進一步的研究,鋼筋與混凝土之間無相對滑移模型中鋼筋用 Rebar桿單元模擬,鋼筋與混凝土之間有相對滑移模型中鋼筋用 3D-Solid八結點六面體實體單元模擬[4],對其兩種模型進行對比,研究 ADINA中鋼筋預應力的施加方法。麻黃溝渡槽橫斷面圖如圖 1所示。

圖 1 麻黃溝渡槽橫斷面圖 (單位:m)

對于鋼筋預應力的模擬,在有限元軟件中目前常見的幾種模擬方法有降溫法、初應變法。

1 降溫法

所謂降溫法,實際上是一種體外鋼筋的方法,也就是說鋼筋和實體分開建模,將混凝土和預應力鋼束劃分為不同的單元一起考慮,然后賦予鋼筋和混凝土同時的溫度差,由于鋼筋在溫度降落的過程中,變形受到混凝土的限制,從而產生了溫度應力。這種應力可以通過一定的換算轉化為鋼絞線的預應力。降溫法即采用設置材料的初始溫度為 0,然后根據式 (1)對預應力筋施加溫度載荷。

式中:T為溫度載荷值;Fpre為預應力筋的預應力;E為鋼筋的彈性模量;Alp為鋼筋的線膨脹系數;A為鋼筋橫截面積。

利用降溫法進行模擬時,預應力要轉化為對應的溫度差。這種溫度差并不是沿整個預應力鋼筋進行的,而是在不同的段要有不同的溫度差。由此產生一個問題就是預應力鋼筋究竟用幾段來進行離散適宜很難確定。

2 初應變法

初應變法是將預應力鋼絞線和混凝土分開建模,通過對預應力筋單元的實常數設置初應變來模擬預應力效應,但是并不在預應力鋼絞線的位置將混凝土單獨離散,也就是說,不太多地考慮預應力鋼絞線的位置問題,而僅僅保證在有預應力鋼絞線的位置具有一個平面即可,然后通過編制程序,自動將預應力鋼絞線單元施加于混凝土單元中間,再在預應力鋼絞線上面加上初始應變,程序自動將初始應變轉化為初始應力,從而完成預應力鋼絞線的模擬,計算公式如下:

此方法的優越性在靜力分析中主要體現在鋼絞線在渡槽變形的過程中,能夠根據渡槽的變形不斷地調整預應力的大小。這一點是與結構的實際受力狀態非常吻合的,在動力分析中,它可以考慮到預應力對于結構動力性能的貢獻。

3 ADINA中鋼筋預應力的施加

麻黃溝渡槽有限元模型如圖 2、圖 3所示。

3.1 鋼筋有滑移模型預應力的施加

采用 ADINA程序進行有限元分析,在鋼筋有滑移模型中鋼筋采用塊體單元,用降溫法施加預應力。具體步驟如下:求得有效預應力后,用溫度模擬預應力,賦予鋼筋溫度值,降溫鋼筋收縮,相當于加初應力。此模型選擇降溫法加預應力的優點為:在 ADINA結構分析程序中,初應變法與豎直坐標有關 (加地應力時大多用初始應變法),鋼絞線豎直坐標不斷變化,加初應變與局部坐標有關,鋼絞線每一個局部坐標的方位都不一樣,因此就該模型而言適合選擇降溫法加預應力。

圖 2 鋼筋無滑移渡槽有限元模型

圖3 鋼筋有滑移渡槽有限元模型

3.2 鋼筋無滑移模型預應力的施加

在鋼筋無滑移模型中鋼筋采用桿單元,ADINA中用 Rebar單元模擬鋼筋,采用初應變法施加預應力,ADINA軟件中不能對 Rebar單元采用降溫法,降溫法適合體單元。直線筋考慮預應力損失為控制應力值的 0.15倍左右,曲線筋為 0.25倍左右,最后乘以系數 1.155(該系數 =重要性系數 1.1×設計狀況系數 1.0×永久荷載分項系數 1.05)。

4 結語

在有限元分析軟件中鋼筋預應力的施加方法有降溫法和初應變法,文中通過對麻黃溝預應力鋼筋混凝土渡槽鋼筋與混凝土有相對滑移和無相對滑移兩種模型預應力施加方法對比分析,得出在 ADINA分析軟件中,初應變法適合桿單元;降溫法適合體單元。

1 杜拱辰.我國預應力混凝土結構當前面臨的問題和對策[J].建筑技術開發.2001,28(5):1-4.

2 劉天成,賈艷敏.無黏結預應力混凝土結構非線性數值分析 [J].長沙交通學院學報.2006,22(2):8-11.

3 田奇,等.鋼筋及預應力機械應用技術 [M].北京:中國建材工業出版社,2004.

4 朱伯芳.有限單元法原理與應用 (第二版)[M].北京:中國水利水電出版社,1998.