CAD技術在預應力反力墻系統(tǒng)設計中的綜合應用

馬 勇

長江大學城市建設學院（434023）

0 前言

計算機輔助設計（CAD，Computer aided design）是一種能幫助人們運用計算機技術進行設計工作的科學技術。在設計工作中，計算機能幫助人們進行計算、保存信息和畫圖。設計者利用計算機進行計算、分析以及方案的比較。各種信息，包括數(shù)字、詞語、圖形都能保存在EMS內(nèi)存或外部存儲器中，并能很快搜索到。

在中國,用于繪圖的計算機輔助軟件自20世紀80年代開始研制，落后于發(fā)展國家。但早在20世紀50年代，我們的研究者已經(jīng)開發(fā)計算機進行計算工作。從20世紀90年代開始，隨著結(jié)構設計規(guī)范的普及，結(jié)構CAD得到迅速發(fā)展。現(xiàn)在在中國，有很多結(jié)構分析CAD軟件,如PKPM系列軟件，TBSA系列軟件，等等。但對于復雜的結(jié)構系統(tǒng)，在用CAD軟件進行設計后，還需要用有限元軟件進行驗算。實際上，就其計算和分析能力而言，有限元分析也屬于CAD技術。

研究了一個反力墻和其基礎系統(tǒng)，這是一個復雜的特殊結(jié)構。本文綜合采用了CAD技術和有限元軟件對此系統(tǒng)進行分析。

1 L形反力墻系統(tǒng)

反力墻及其基礎是一種大型結(jié)構試驗設備，可用于大型結(jié)構的靜力和周期荷載試驗，它也可用于大比例甚至全比例的擬動力結(jié)構試驗。在此系統(tǒng)中，反力墻用于固定油壓千斤頂，當油壓千斤頂施加服務荷載時提供反力?；A用于固定設備部件，阻止試件移動或旋轉(zhuǎn)。它承受試件傳來的拉力，并把設備部件的重力和荷載均勻的傳遞給地基土，減少地基的不均勻沉降。由于變形要求非常嚴格，此試驗系統(tǒng)常常采用預應力混凝土系統(tǒng)。

所研究的反力墻是L形的:由北面部分和西面部分組成，見圖1。這兩個相互垂直的墻體課用于大比例的結(jié)構在兩個方向的地震激勵試驗。反力墻與基礎連接在一起,以提高抵抗彎矩和剪力的能力。反力墻和基礎都是箱形截面，因此它們的剛度都很強。在反力墻和基礎頂板設置有一些錨孔，見圖2。這些錨孔是用來固定液壓加載設備和試件的。

2 計算機輔助設計系統(tǒng)的應用

2.1 運用CAD設計軟件設計預應力混凝土結(jié)構

由于反力墻系統(tǒng)是一種試驗設備，因此變形要求非常嚴格:墻頂部水平位移與墻高之比不應超過1/1000；在施工和使用階段不允許出現(xiàn)裂縫。由于施加在反力墻和基礎上的荷載非常大，采用了后張拉無粘結(jié)預應力混凝土以避免出現(xiàn)裂縫。在輸入以下信息之后，CAD設計軟件能計算預應力損失并把預應力施加在混凝土上。并進行承載能力極限狀態(tài)計算和正常使用極限狀態(tài)驗算。

2.2 基本信息

基本信息包括：截面尺寸、恒載彎矩和剪力、活載彎矩和剪力。由于在靜力和動力試驗中受到加載系統(tǒng)施加的力，反力墻系統(tǒng)主要受活載。它的最大活載彎矩和剪力可以根據(jù)可能受到的最大服務荷載計算，并把墻簡化為懸臂梁。裂縫抗震等級為一級，即在荷載效應標準組合下混凝土受拉邊不出現(xiàn)拉應力[1]。

2.3 預應力參數(shù)

預應力參數(shù)是那些與預應力技術相關的參數(shù)，如張拉方法、預應力筋的類型、錨固、松弛、預應力筋的標準強度值，等等。

2.4 鋼筋信息

鋼筋信息包括:鋼筋類型、位置、直徑、預應力筋和非預應力筋的數(shù)量等。圖3顯示了反力墻的典型截面，包括預應力和非預應力筋的直徑和間距。

2.5 其他信息

其他信息包括:混凝土等級、箍筋直徑和間距、抗震等級、計算跨度、變形參數(shù)、施加預應力時的混凝土強度比例，等等。

2.6 計算剪力墻

輸入上述信息后，對剪力墻的計算包括：截面的幾何性質(zhì)、預應力損失、正截面和斜截面的承載能力和抗裂縫強度和變形計算。在這些計算中，預應力的總體損失時一個非常復雜的問題。預應力的總體損失包括五個主要部分：鋼絞線的彈性縮短和錨具的變形、摩擦損失、預應力筋松弛造成的應力損失、混凝土的收縮和徐變和混凝土的彈性壓縮。CAD設計軟件可以幫助設計者根據(jù)輸入的信息完成預應力損失的計算。

3 有限元分析

運用有限元方法分析整個系統(tǒng)，采用大型通用有限元軟件ANSYS進行分析。分析計算包括以下內(nèi)容。

3.1 單元類型

因為鋼筋間距較小，鋼筋混凝土采用整體模型——有鋼筋的SOLID65單元。SOLID65單元用于三維固體模型，可以有或沒有鋼筋。此固體單元適合于模擬受拉開裂和受壓。在混凝土中的應用中，此單元中的固體性能適于模擬混凝土，而鋼筋性能適于模擬鋼筋性質(zhì)。非預應力筋可用SOLID65單元中的鋼筋模擬。根據(jù)墻中、基礎頂板、基礎內(nèi)墻和底板的不同鋼筋，分別計算相應的非預應力筋比例和材料參數(shù)。

3.2 材料模型

混凝土的材料本構模型對于混凝土結(jié)構的分析有很大的影響。本文選擇William-Warnke破壞準則作為混凝土破壞準則。在混凝土達到屈服前，混凝土性質(zhì)視為彈性。所需要的材料參數(shù)包括:張開裂縫的剪力傳遞參數(shù)βt，閉合裂縫的剪力傳遞參數(shù)βc，單軸抗拉強度，單軸抗壓強度，等等。它們的取值參考文獻[2]。

3.3 有錨孔的系統(tǒng)的簡化

反力墻的加載面和基礎頂板上有很多錨孔。如果完全根據(jù)實際錨孔建立模型，整個模型的單元數(shù)量將非常巨大。因此，數(shù)值模型需要進行簡化，同時考慮這些錨孔的削弱效應。如果有現(xiàn)場的實測試驗數(shù)據(jù)，如應變、變形、荷載等，則可以用反分析的方法計算出有錨孔的混凝土材料參數(shù)[3]。如果沒有實測試驗數(shù)據(jù)，則可以采用如文獻[2]的模擬試驗方法作為替代方法。在施加位移荷載進行計算后，可以根據(jù)應力-變形曲線獲得等效的單軸壓縮強度。

3.4 施加的預應力

預應力的施加主要有兩種方法[4]。一種是等效荷載法。預應力筋的效應等效為結(jié)構的外荷載。這種方法的優(yōu)點是可以直接建立模型，不需要考慮預應力筋的位置，因此有限元網(wǎng)格能簡單地劃分。第二種方法是對混凝土和預應力鋼筋分別用不同的單元,用溫度減少或初始應變的方法模擬預應力。這種方法可以獲得預應力筋的應力反應。但是當使用了大量鋼筋時，如在這個反力墻系統(tǒng)中，第二種方法使得模型變得非常復雜。因此采用第一種方法,預應力的值通過有限元分析之前的CAD軟件計算得到。

4 綜合應用CAD技術的工作流程

綜合應用CAD技術的工作流程圖見圖4。首先，輸入基本信息、預應力筋和其他信息。第二，應用CAD設計軟件根據(jù)輸入的信息對典型構件的承載極限狀態(tài)計算和正常使用極限狀態(tài)驗算。同時計算預應力。如果不滿足相關設計規(guī)范如[1]的要求，則返回到第一步去修改相關的信息。如果都滿足規(guī)范要求，則轉(zhuǎn)向第三步。第三，用于有限元軟件進行整體結(jié)構的分析。由CAD設計軟件計算所得的預應力等效為外荷載施加在系統(tǒng)上。如果經(jīng)有限元整體計算后，驗算不能滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求，設計者需要調(diào)整輸入的信息，例如混凝土、鋼筋的信息，則重復第1、2步。另外在有限元分析中可以進行動力結(jié)構分析，如模態(tài)分析、諧反應分析和譜分析。

5 計算結(jié)果

圖5是在北墻作用有水平荷載作用下的反力墻系統(tǒng)的最大主應力圖。從圖中可以看出，反力墻和基礎頂板的大部分都處于受壓狀態(tài)。在預估的最大水平使用荷載作用下，圖5中墻頂部最大水平位移僅為1/6667H，H是墻的高度，滿足使用要求。

6 結(jié)論

CAD技術可以用于設計特殊結(jié)構，如反力墻和基礎系統(tǒng)。CAD設計軟件課用于設計典型構件，進行承載極限狀態(tài)計算和正常使用極限狀態(tài)驗算。設計結(jié)果可用于有限元軟件。有限元軟件對結(jié)構整體進行分析。這樣，通過綜合應用CAD技術，復雜而特殊的系統(tǒng)可以合理而有效地進行設計。

[1] GB 50010-2010,混凝土結(jié)構設計規(guī)范[S].北京:建筑工業(yè)出版社,2010.

[2] 王德玲,沈疆海.反力墻實驗系統(tǒng)的靜力有限元分析.長江大學學報（自然科學版）,2008,5(2):123～126.

[3] 古巍,姚勇,朱勇彬.預應力反力墻的ANSYS有限元分析[J].四川建筑,2010,30(2):130～133.

[4] 劉坤,吳磊.ANSYS有限元方法精解[J].北京:國防工業(yè)出版社,2005.