ADINA中鋼筋預(yù)應(yīng)力施加方法分析

張學(xué)菊

(寧夏水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 銀川 750004)

預(yù)應(yīng)力鋼絞線的精確描述目前在國(guó)內(nèi)外尚未見諸于文獻(xiàn),但關(guān)于鋼絞線的定性描述一般使用三維空間桿單元進(jìn)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(chǔ)上結(jié)合南水北調(diào)中線京石段應(yīng)急供水工程麻黃溝預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土渡槽的實(shí)體模型進(jìn)行進(jìn)一步的研究,鋼筋與混凝土之間無(wú)相對(duì)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(duì)滑移模型中鋼筋用 3D-Solid八結(jié)點(diǎn)六面體實(shí)體單元模擬[4],對(duì)其兩種模型進(jìn)行對(duì)比,研究 ADINA中鋼筋預(yù)應(yīng)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(duì)于鋼筋預(yù)應(yīng)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(yīng)變法。

1 降溫法

所謂降溫法,實(shí)際上是一種體外鋼筋的方法,也就是說(shuō)鋼筋和實(shí)體分開建模,將混凝土和預(yù)應(yīng)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(shí)的溫度差,由于鋼筋在溫度降落的過(guò)程中,變形受到混凝土的限制,從而產(chǎn)生了溫度應(yīng)力。這種應(yīng)力可以通過(guò)一定的換算轉(zhuǎn)化為鋼絞線的預(yù)應(yīng)力。降溫法即采用設(shè)置材料的初始溫度為 0,然后根據(jù)式 (1)對(duì)預(yù)應(yīng)力筋施加溫度載荷。

式中:T為溫度載荷值;Fpre為預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)應(yīng)力;E為鋼筋的彈性模量;Alp為鋼筋的線膨脹系數(shù);A為鋼筋橫截面積。

利用降溫法進(jìn)行模擬時(shí),預(yù)應(yīng)力要轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的溫度差。這種溫度差并不是沿整個(gè)預(yù)應(yīng)力鋼筋進(jìn)行的,而是在不同的段要有不同的溫度差。由此產(chǎn)生一個(gè)問(wèn)題就是預(yù)應(yīng)力鋼筋究竟用幾段來(lái)進(jìn)行離散適宜很難確定。

2 初應(yīng)變法

初應(yīng)變法是將預(yù)應(yīng)力鋼絞線和混凝土分開建模,通過(guò)對(duì)預(yù)應(yīng)力筋單元的實(shí)常數(shù)設(shè)置初應(yīng)變來(lái)模擬預(yù)應(yīng)力效應(yīng),但是并不在預(yù)應(yīng)力鋼絞線的位置將混凝土單獨(dú)離散,也就是說(shuō),不太多地考慮預(yù)應(yīng)力鋼絞線的位置問(wèn)題,而僅僅保證在有預(yù)應(yīng)力鋼絞線的位置具有一個(gè)平面即可,然后通過(guò)編制程序,自動(dòng)將預(yù)應(yīng)力鋼絞線單元施加于混凝土單元中間,再在預(yù)應(yīng)力鋼絞線上面加上初始應(yīng)變,程序自動(dòng)將初始應(yīng)變轉(zhuǎn)化為初始應(yīng)力,從而完成預(yù)應(yīng)力鋼絞線的模擬,計(jì)算公式如下:

此方法的優(yōu)越性在靜力分析中主要體現(xiàn)在鋼絞線在渡槽變形的過(guò)程中,能夠根據(jù)渡槽的變形不斷地調(diào)整預(yù)應(yīng)力的大小。這一點(diǎn)是與結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)非常吻合的,在動(dòng)力分析中,它可以考慮到預(yù)應(yīng)力對(duì)于結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能的貢獻(xiàn)。

3 ADINA中鋼筋預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力的施加

采用 ADINA程序進(jìn)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(yù)應(yīng)力。具體步驟如下:求得有效預(yù)應(yīng)力后,用溫度模擬預(yù)應(yīng)力,賦予鋼筋溫度值,降溫鋼筋收縮,相當(dāng)于加初應(yīng)力。此模型選擇降溫法加預(yù)應(yīng)力的優(yōu)點(diǎn)為:在 ADINA結(jié)構(gòu)分析程序中,初應(yīng)變法與豎直坐標(biāo)有關(guān) (加地應(yīng)力時(shí)大多用初始應(yīng)變法),鋼絞線豎直坐標(biāo)不斷變化,加初應(yīng)變與局部坐標(biāo)有關(guān),鋼絞線每一個(gè)局部坐標(biāo)的方位都不一樣,因此就該模型而言適合選擇降溫法加預(yù)應(yīng)力。

圖 2 鋼筋無(wú)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(wú)滑移模型預(yù)應(yīng)力的施加

在鋼筋無(wú)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(yīng)變法施加預(yù)應(yīng)力,ADINA軟件中不能對(duì) Rebar單元采用降溫法,降溫法適合體單元。直線筋考慮預(yù)應(yīng)力損失為控制應(yīng)力值的 0.15倍左右,曲線筋為 0.25倍左右,最后乘以系數(shù) 1.155(該系數(shù) =重要性系數(shù) 1.1×設(shè)計(jì)狀況系數(shù) 1.0×永久荷載分項(xiàng)系數(shù) 1.05)。

4 結(jié)語(yǔ)

在有限元分析軟件中鋼筋預(yù)應(yīng)力的施加方法有降溫法和初應(yīng)變法,文中通過(guò)對(duì)麻黃溝預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土渡槽鋼筋與混凝土有相對(duì)滑移和無(wú)相對(duì)滑移兩種模型預(yù)應(yīng)力施加方法對(duì)比分析,得出在 ADINA分析軟件中,初應(yīng)變法適合桿單元;降溫法適合體單元。

1 杜拱辰.我國(guó)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)當(dāng)前面臨的問(wèn)題和對(duì)策[J].建筑技術(shù)開發(fā).2001,28(5):1-4.

2 劉天成,賈艷敏.無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)非線性數(shù)值分析 [J].長(zhǎng)沙交通學(xué)院學(xué)報(bào).2006,22(2):8-11.

3 田奇,等.鋼筋及預(yù)應(yīng)力機(jī)械應(yīng)用技術(shù) [M].北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社,2004.

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