基于ansys的預應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應力混凝土構件的處理方法，結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，采用施加預應力鋼筋初應變法和降溫法，分析幾種方法的利弊，給出合理性建議。

關鍵詞：ansys分析方法;實體分割法;初應變法

中圖分類號：U445 ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：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，為此預應力鋼筋在大跨徑橋梁建設中起著至關重要的作用，橋梁的內(nèi)力計算也越來越復雜。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意義，然而，不同建模方法計算出的結果存在一定的差異，導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。預應力鋼筋的出現(xiàn)大大提高了橋梁的承載能力，它是橋梁中重要的受力構件，軟件對它的建模分析具有重要意義。

1預應力的分析方法

Ansys中對預應力鋼束的處理方式有兩種，實體力筋法和等效荷載法。等效荷載法是將預應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應力鋼束的作用;實體力筋法是混凝土和預應力鋼筋采用不同的單元進行建模。而預應力的添加可以采用降溫法和初應變兩種方法實現(xiàn)。降溫法建模可以模擬預應力筋預應力的損失，初應變通常將預應力筋和混凝土視為一個剛體，不考慮預應力的損失。

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

式中：T為溫度，F(xiàn)pre為力筋的預加拉力，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為考慮預應力損失的折減系數(shù)。

初應變法即使得鋼束本身帶有初應變，根據(jù)公式（2）計算初始值。

式中：Istrn為鋼束初應變值，Str為鋼束張拉應力，E為鋼束的彈性模量，k為考慮預應力損失的折減系數(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構的幾何尺寸創(chuàng)建實體模型，然后通過工作平面將混凝土實體按照預應力實際位置縱向和橫向切分成線，在混凝土實體上將與預應力鋼筋線型重合的線定義為預應力鋼筋。最后對混凝土單元和力筋單元進行網(wǎng)格劃分、張拉預應力、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的預應力混凝土簡支T梁為例，結構布置和截面尺寸如圖1、圖2，混凝土強度等級為C40，預應力鋼筋筋采用1860鋼絞線，張拉控制應力為1395MP，鋼束面積Aer=3836mm2。

本文solid65單元模擬混凝土梁體，預應力筋可以采用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對預應力混凝土T梁進行不同的建模分析，圖3-圖5為T梁變形圖、鋼束應力云圖、混凝土應力云圖。當對T梁進行實體切分時，T梁跨中下?lián)?.399mm，此時預應力鋼束應力36653pa，T梁上部邊緣受壓區(qū)應力為-2879.59Pa，下部受壓區(qū)應力為6811.94Pa;節(jié)點耦合法T梁下?lián)?.473mm，力筋應力為39087.3Pa，上緣混凝土應力為-2615.66，受拉區(qū)混凝土應力為6573.28，約束方程法T梁跨中撓度為9.408，預應力鋼束鋼束為36662.1Pa，上緣受壓區(qū)應力為-2882.07，下緣受拉區(qū)混凝土應力為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果比較接近，且都大于節(jié)點耦合法;節(jié)點耦合的力筋應力比其他兩種方法大，混凝土下緣應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力圖。

4 結論

本文通過ansys有限元軟件分別對預應力混凝土T梁中預應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)點耦合法預應力鋼筋應力最大，而撓度和受拉區(qū)應力及受壓區(qū)應力均小于實體分割法和約束方程法;順橋向計算出的正應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，計算結果比較理想，推薦使用相關結構計算中。

參考文獻：

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