基于ansys的預(yù)應(yīng)力鋼筋處理對比研究

王選富，劉子利，李凡，厲佩佩，楊再榮，李潭飛

摘 要：通過ansys有限元軟件介紹了預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的處理方法，結(jié)合工程案例對比分析實體分割法、耦合節(jié)點法、約束方程法的計算模型，采用施加預(yù)應(yīng)力鋼筋初應(yīng)變法和降溫法，分析幾種方法的利弊，給出合理性建議。

關(guān)鍵詞：ansys分析方法;實體分割法;初應(yīng)變法

中圖分類號：U445 ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1006—7973（2019）12-0119-02

隨著交通事業(yè)如火如荼地進行，橋梁的跨徑也越來越大，大跨徑橋梁因其跨度和載重，使得橋梁跨中產(chǎn)生很大的彎矩。而混凝土本身抗拉能力極差，為此預(yù)應(yīng)力鋼筋在大跨徑橋梁建設(shè)中起著至關(guān)重要的作用，橋梁的內(nèi)力計算也越來越復(fù)雜。ansys是一款大型通用有限元分析軟件，橋梁建模分析具有一定的理論指導(dǎo)意義，然而，不同建模方法計算出的結(jié)果存在一定的差異，導(dǎo)致同一座橋梁模型計算出來的承載力不一致，從而對橋梁實際承載能力作出不正確評估。預(yù)應(yīng)力鋼筋的出現(xiàn)大大提高了橋梁的承載能力，它是橋梁中重要的受力構(gòu)件，軟件對它的建模分析具有重要意義。

1預(yù)應(yīng)力的分析方法

Ansys中對預(yù)應(yīng)力鋼束的處理方式有兩種，實體力筋法和等效荷載法。等效荷載法是將預(yù)應(yīng)力鋼束的作用和混凝土分開考慮，以施加外荷載的方式代替預(yù)應(yīng)力鋼束的作用;實體力筋法是混凝土和預(yù)應(yīng)力鋼筋采用不同的單元進行建模。而預(yù)應(yīng)力的添加可以采用降溫法和初應(yīng)變兩種方法實現(xiàn)。降溫法建?？梢阅M預(yù)應(yīng)力筋預(yù)應(yīng)力的損失，初應(yīng)變通常將預(yù)應(yīng)力筋和混凝土視為一個剛體，不考慮預(yù)應(yīng)力的損失。

降溫法即設(shè)置材料的初始溫度為0，然后根據(jù)公式（1）對預(yù)應(yīng)力鋼束施加溫度荷載。

式中：T為溫度，F(xiàn)pre為力筋的預(yù)加拉力，E為鋼束的彈性模量，αT為鋼束的膨脹系數(shù)，A為鋼束的和截面積，k為考慮預(yù)應(yīng)力損失的折減系數(shù)。

初應(yīng)變法即使得鋼束本身帶有初應(yīng)變，根據(jù)公式（2）計算初始值。

式中：Istrn為鋼束初應(yīng)變值，Str為鋼束張拉應(yīng)力，E為鋼束的彈性模量，k為考慮預(yù)應(yīng)力損失的折減系數(shù)。

實體力筋法的分析中主要有以下處理方法：實體分割法、節(jié)點耦合法和約束方程法。本文主要對實體力筋法的三種方法進行對比分析。

（1）實體分割法是先以混凝土結(jié)構(gòu)的幾何尺寸創(chuàng)建實體模型，然后通過工作平面將混凝土實體按照預(yù)應(yīng)力實際位置縱向和橫向切分成線，在混凝土實體上將與預(yù)應(yīng)力鋼筋線型重合的線定義為預(yù)應(yīng)力鋼筋。最后對混凝土單元和力筋單元進行網(wǎng)格劃分、張拉預(yù)應(yīng)力、施加荷載、定義邊界條件后進行求解。

（2）節(jié)點耦合法是分別建立實體和力筋的幾何模型，創(chuàng)建幾何模型時不必考慮兩者的關(guān)系，然后對幾何模型的實體進行各自的單元劃分。通過耦合節(jié)點自由度將力筋單元和實體單元聯(lián)系起來。

（3）約束方程法。通過ceintf命令把混凝土單元上的節(jié)點和力筋單元節(jié)點之間建立函數(shù)關(guān)系式。在分別建立幾何模型和單元劃分后，只需選擇力筋節(jié)點cintf命令自動選擇保存單元的數(shù)個節(jié)點，在容差范圍內(nèi)與力筋的一個節(jié)點建立約束方程，通過多組約束方程，將力筋和混凝土連為整體計算分析。

2建模分析

本文以某跨徑20000mm的預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁為例，結(jié)構(gòu)布置和截面尺寸如圖1、圖2，混凝土強度等級為C40，預(yù)應(yīng)力鋼筋筋采用1860鋼絞線，張拉控制應(yīng)力為1395MP，鋼束面積Aer=3836mm2。

本文solid65單元模擬混凝土梁體，預(yù)應(yīng)力筋可以采用link180單元模擬。分析采用整體式實體分割法、節(jié)點耦合法、約束方程法進行建模分析。Solid65單元用于含鋼筋或者不含鋼筋的三維實體模型，該實體模型可具有拉裂于壓碎的性能。該單元具有八個節(jié)點，每個節(jié)點有三個自由的;Link180單元是運用較為廣泛的桿單元，這種三維桿單元是桿軸方向的拉壓單元，每個節(jié)點具有三個自由度，網(wǎng)格劃分采用映射網(wǎng)格，混凝土網(wǎng)格采用10mm。

3內(nèi)力變化

ansys對預(yù)應(yīng)力混凝土T梁進行不同的建模分析，圖3-圖5為T梁變形圖、鋼束應(yīng)力云圖、混凝土應(yīng)力云圖。當(dāng)對T梁進行實體切分時，T梁跨中下?lián)?.399mm，此時預(yù)應(yīng)力鋼束應(yīng)力36653pa，T梁上部邊緣受壓區(qū)應(yīng)力為-2879.59Pa，下部受壓區(qū)應(yīng)力為6811.94Pa;節(jié)點耦合法T梁下?lián)?.473mm，力筋應(yīng)力為39087.3Pa，上緣混凝土應(yīng)力為-2615.66，受拉區(qū)混凝土應(yīng)力為6573.28，約束方程法T梁跨中撓度為9.408，預(yù)應(yīng)力鋼束鋼束為36662.1Pa，上緣受壓區(qū)應(yīng)力為-2882.07，下緣受拉區(qū)混凝土應(yīng)力為6818.87Mp。數(shù)據(jù)對比見表1。

由表1可知，實體分割法和約束方程法的變形結(jié)果比較接近，且都大于節(jié)點耦合法;節(jié)點耦合的力筋應(yīng)力比其他兩種方法大，混凝土下緣應(yīng)力較實體分割法和約束方程法小。如圖6-圖8為實體分割法、耦合節(jié)點法、約束方程法梁底中線順橋梁向應(yīng)力圖。

4 結(jié)論

本文通過ansys有限元軟件分別對預(yù)應(yīng)力混凝土T梁中預(yù)應(yīng)力鋼筋的處理方式進行模擬對比分析，分別為實體分割法建模計算，節(jié)點耦合法建模型計算，約束方程法建模計算。三種模型中，節(jié)點耦合法預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力最大，而撓度和受拉區(qū)應(yīng)力及受壓區(qū)應(yīng)力均小于實體分割法和約束方程法;順橋向計算出的正應(yīng)力實體切分法和約束方程法更為接近，因為約束方程法是力筋節(jié)點與多個附近混凝土節(jié)點建立函數(shù)關(guān)系，效果較為明顯;三種方法中，約束方程法建模相對簡便，計算結(jié)果比較理想，推薦使用相關(guān)結(jié)構(gòu)計算中。

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