ANSYS模擬鋼管混凝土支架問題的實現(xiàn)

張淼　李晶晶　胡向輝

摘 要：隨著鋼管混凝土材料的普及，鋼管混凝土在工程中的應用越來越廣泛，鋼管混凝土的強度與鋼管厚度、截面形式、核心混凝土的強度有著密切的聯(lián)系，ANSYS有限元模擬軟件可以對大部分的工程模型進行模擬，但在鋼管混凝土模擬方面，總是會遇到各種各樣的問題，文章針對這些問題，提出了自己的看法，希望借此文，為今后使用ANSYS軟件模擬鋼管混凝土提供幫助，也為鋼管混凝土構件的受力分析提供良好的借鑒意義。

關鍵詞：鋼管混凝土；ANSYS；問題

1 鋼管混凝土簡介

鋼管混凝土是鋼管內填充混凝土的構件，不但施工方便，而且也克服了材料自身的缺陷。鋼管混凝土結構相比鋼結構節(jié)約了大量的鋼材，而相比鋼筋混凝土結構則節(jié)約了大量的混凝土，并且經(jīng)濟合理，具有一定的耐火特性。鋼管混凝土自身所具有的優(yōu)勢吸引了大批學者對其進行研究，并取得了良好的成果，在工程中得到了廣泛的應用。

2 ANSYS軟件應用簡介

ANSYS是美國ANSYS公司研制的有限元分析軟件，其應用范圍很廣，能夠和多種計算機軟件接口，如為大家所知的cad軟件，同時也是功能最為強大的軟件之一，在歷年的FEA評比中都名列第一，我國也有廣泛的應用基礎。其在土木工程、電磁、能源、輕工、地礦等都有這廣泛的應用，在我國某些理工院校中，也被欽定為專門的教學軟件。

3 ANSYS模擬鋼管混凝土支架問題的實現(xiàn)

文章所說的鋼管混凝土支架是專門用于煤礦巷道支護的新型鋼管混凝土支架，在煤礦巷道支護過程中，由于地應力存在于圍巖的四周，因此，要求鋼管混凝土支架要四面封閉，形成一個穩(wěn)定的受力結構，只有如此，才能夠有效控制圍巖變形，針對圓形的鋼管混凝土支架的ANSYS模擬，必然會導致一系列的問題，現(xiàn)將問題簡單敘述如下：

3.1 模型簡化

鋼管混凝土支架的原型是呈圓形，專門控制呈圓形的巷道的變形，對于圓形巷道的變形問題，如果采用ANSYS模擬，則勢必會導致無法加載的情況，或者說四周加載無法計算的問題，因此，在對支架進行模擬時，一定要對模型進行適當?shù)奶幚?，既要保證模型能夠正常計算，又要保證模型能夠真正的反應出支架的實際受力情況。文章在模擬鋼管混凝土支架的受力情況時，采用將原來本來是圓形的鋼管混凝土支架計算模型進行簡化，簡化為半圓形，這樣就可以將鋼管混凝土支架的有限元計算量降低一半，同時，通過巷道頂部和側部壓力的分別施加，更加逼真的模擬了煤礦巷道的支護情況。

3.2 計算準則的確定

鋼管混凝土的本構關系可以分為線性、性彈性、非線性、彈塑性等力學模型，其中研究最多的是非線性和彈塑性，各個破壞準則的表達方式和繁簡程度各不一樣，適用范圍和計算精度也不同，這就給模擬帶來很大困難。

ANSYS商品混凝土的破壞準則與屈服準則的定義直接關系到模擬精度和模擬結果，因此，對于其本構關系又非定義不可。文章采用tb，concr，matnum準則，而非屈服準則，理論上其是不同的，屈服準則的最終表現(xiàn)形式是屈服，但并未破壞，而鋼管混凝土支架的承載力研究則在于破壞而非僅僅屈服。同時，作為非線性破壞的鋼管混凝土構件，其關鍵是研究其承載能力的破壞而非屈服，因此，文章研究的鋼管混凝土構件默認的是tb準則。

3.3 鋼管與混凝土粘結問題的解決

隨著計算速度和電腦科技的發(fā)展，離散裂縫模型又再一次被推廣使用，就ANSYS在模擬鋼管混凝土技術上而言，可以考慮鋼管和混凝土之間的粘結，引入彈簧模型進行模擬，但最終的結果是計算麻煩，反而將模型復雜化。文章認為，在大部分的結構受力分析上，可以不考慮鋼管與混凝土之間的粘結與滑移，簡化彈簧單元，直接默認鋼管和混凝土之間粘結良好，認為solid45和solid65之間本身并無裂隙和裂縫。這樣的簡化也符合實際需要。鋼管混凝土在實際施工的過程中，很難保證鋼管混凝土之間沒有絲毫裂隙，但是微裂隙對鋼管混凝土支架整體結構的影響幾乎可以忽略不計。即使會出現(xiàn)較大的裂縫，也是在施工過程中出現(xiàn)的，可以通過在混凝土中加入膨脹劑來消滅裂隙。文章模擬的鋼管混凝土支架就是采用的v，glue，的方法進行計算的。

3.4 非線性收斂問題

混凝土作為典型的非線性材料，運用ANSYS計算是很難收斂，其不收斂與多方面因素有關，但主要影響因素不外乎其網(wǎng)格大小，收斂準則等，網(wǎng)格的密度究竟多少合適，沒有人在模擬之前會知道，因此，需要自己慢慢試算，考慮到計算費用，建議由大到小計算，只要能滿足要求，即可不必細分。收斂精度的調整并不能解決收斂問題，但是可以加速其計算進程，放寬收斂條件加速一般不能超過百分之五，有時候也可以強制其計算收斂。

3.5 材料參數(shù)的選擇

對鋼管混凝土進行有限元模擬，考慮到solid65單元是專門為混凝土而設置的一種抗拉能力弱而抗壓能力強的非均勻材料，因此文章對混凝土的模擬采用solid65單元，鋼管單元采用solid45單元，將鋼管混凝土支架的模型簡化為半圓形，其具體的材料參數(shù)為，鋼管：泊松比0.280，彈性模量2.06×105N/mm2，塑性模量0.15×105N/mm2，屈服應力300N/mm2：密度7.85g/mm2，混凝土：泊松比0.2，彈性模量3.65×104N/mm2，粘聚力5.5654，摩擦角55.6°，膨脹角30°。

4 鋼管混凝土支架ANSYS模擬結果

以下模擬結果是對圓形鋼管混凝土支架的模擬結果，將圓形的鋼管混凝土支架簡化成了半圓型，考慮到圍巖四周壓力的不同，將半圓型的鋼管混凝土支架又分成三段，便于對其進行加載，鋼管采用solid45單元，混凝土采用solid65單元，材料參數(shù)如上文所述，主要收斂準則采用上文所述的準則，最終計算出的支架結果如圖1所示。

由圖1分析可知，此鋼管在受力的情況下呈現(xiàn)出頂部變形較大，兩側變形較小的形狀，而加載情況剛好是圍巖頂部壓力和側部壓力為1：1.5的情況，符合實際圍巖應力的情況，同時，鋼管支架的兩端出現(xiàn)了內收的情況，主要是在計算過程中，將鋼管混凝土支架兩端作為固定端考慮的，此模型計算結果符合理論分析，按照文章所述，確實成功的運用ANSYS模擬出了鋼管混凝土支架的結果。

5 結束語

文章通過對鋼管混凝土結構受力的有限元模擬，對鋼管混凝土進行了受力分析，從鋼管混凝土支架的受力分析過程，利用ANSYS實現(xiàn)了其分析的過程，從而為ANSYS分析鋼管混凝土模型提供了良好的基礎，文章研究的鋼管混凝土支架本為圓形，但是通過一定的模型簡化，計算簡化，最終實現(xiàn)了其ANSYS的受力分析，文章得出了結果最終經(jīng)調試收斂，也就是說，利用ANSYS模擬鋼管混凝土是完全可行的，也符合理論數(shù)值的計算結果。

參考文獻

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