■陳朝慰
(福建船政交通職業(yè)學(xué)院,福州 350007)
基于ANSYS開發(fā)的橫向分段施工預(yù)應(yīng)力混凝土斜箱梁受力分析程序
■陳朝慰
(福建船政交通職業(yè)學(xué)院,福州350007)
利用ANSYS大的前后處理功能和求解功能,在其平臺進行了二次開發(fā)橫向分段施工預(yù)應(yīng)力混凝土斜箱梁的受力性能分析程序CBGP,并詳細介紹了開發(fā)過程和注意要點,與模型實驗數(shù)據(jù)和塊體有限元模型計算結(jié)果進行比較,結(jié)果表明所開發(fā)的程序準確可行,便于橫向分段施工預(yù)應(yīng)力混凝土斜箱梁推廣應(yīng)用。
ANSYS二次開發(fā)橫向分段施工預(yù)應(yīng)力箱梁
ANSYS具有強大的前后處理功能和求解功能,可以分析眾多實際問題,而且提供了多種二次開發(fā)語言,有利于用戶對某一類問題進行二次開發(fā),方便ANSYS的求解,這樣可以大大提高用戶在分析這類問題上的效率和可靠性[1]。文獻2可知準確計算橫向分段施工預(yù)應(yīng)力混凝土斜箱梁的受力性能是一個不斷迭代的過程,所以需要編制程序計算。文章從實際應(yīng)用的角度出發(fā),根據(jù)受力分析過程,在大型有限元結(jié)構(gòu)分析軟件—ANSYS的基礎(chǔ)上進行二次開發(fā),編制了計算橫向分段施工預(yù)應(yīng)力混凝土斜箱梁的受力性能分析程序CBGP,并利用程序?qū)υ囼災(zāi)P瓦M行分析,與試驗結(jié)果進行對比,驗證程序的準確性。
2.1程序的功能特點和程序模塊
本文基于ANSYS的二次開發(fā)分析程序CBGP含有38個宏文件,總共4700余行命令語句,包括有限元模型的建立、分析、應(yīng)力重分布計算以及計算結(jié)果的處理和查詢過程,可以用于計算不同斜交角、不同支座類型、單跨或多跨的橫向分段施工預(yù)應(yīng)力混凝土斜箱梁在給定的荷載工況作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移。
使用人員可以不必清楚了解應(yīng)力重分布計算的繁瑣過程,也無需掌握有限元結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYS復(fù)雜的建模、分析和結(jié)果處理的操作過程。利用二次開發(fā)程序CBGP,只需輸入一些簡單的參數(shù),程序?qū)⒆詣油瓿捎邢拊P偷慕?、荷載的施加、結(jié)構(gòu)的分析、應(yīng)力重分布計算以及結(jié)果的處理和查詢功能。計算結(jié)束后,CBGP程序會在ANSYS的當前工作目錄下自動生成幾個結(jié)果文件,包括結(jié)構(gòu)在各荷載單獨作用下的內(nèi)力和位移、截面應(yīng)力重分布的內(nèi)力和位移以及荷載組合作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移。程序還具有數(shù)據(jù)檢查功能,在輸入?yún)?shù)的每一步過程中,根據(jù)需要可在ANSYS的當前工作目錄下自動生成一個檢查文件,給出當前輸入的參數(shù),如果檢查有誤可作相應(yīng)的修改。
整個CBGP程序的模塊包括:建立有限元模型模塊、加載及求解模塊、應(yīng)力重分布和荷載組合計算模塊、撓度計算模塊以及結(jié)果輸出模型。CBGP程序的計算模塊如圖1所示。
2.2開發(fā)程序模塊的過程中對幾個特殊問題的處理
2.2.1有限元模型離散問題
計算橫向分段施工預(yù)應(yīng)力混凝土斜箱梁的截面應(yīng)力重分布之前,應(yīng)先計算出預(yù)制工字梁與濕接縫在各荷載作用下的內(nèi)力以及截面特性,所以在建立有限元模型時,需把濕接縫與預(yù)制工字梁分開離散,分別作為獨立的梁單元處理,以便提取各荷載作用的計算結(jié)果和單元的截面特性。同時,在計算截面的應(yīng)力重分布時,為了更易于分析,網(wǎng)格劃分應(yīng)采用斜交網(wǎng)格[3],即結(jié)構(gòu)的虛橫梁應(yīng)垂直于U軸,所以采用的網(wǎng)格劃分應(yīng)如圖2所示。
2.2.2單元的生死和預(yù)應(yīng)力加載問題
根據(jù)橫向分段施工預(yù)應(yīng)力混凝土斜箱梁的施工過程可知,施加預(yù)應(yīng)力時各片預(yù)制工字梁還未澆筑成一個整體,各片預(yù)制工字梁是單獨承受預(yù)加力和自重作用,因此在有限元模型上施加預(yù)應(yīng)力時,可通過生死單元[4]來實現(xiàn),即先“殺死”各片濕接縫梁和虛橫梁的單元,然后施加預(yù)應(yīng)力和自重。待預(yù)應(yīng)力加載求解后,在下一個載荷步重新激活被“殺死”的單元,再施加其它的荷載求解運算??鄢龘p失后的預(yù)應(yīng)力作用通過等效荷載法[5]實現(xiàn)。
2.2.3集中力加載問題
對于ANSYS程序而言,當集中力作用位置不在結(jié)構(gòu)有限元模型的結(jié)點上,需換算成結(jié)點等效荷載,才能施加在模型上。而且,由于結(jié)構(gòu)是一個平面二維的模型,所以集中力荷載要換算成4個結(jié)點的等效荷載。因此在用APDL編制CBGP程序時,集中力加載是一個難點。
如圖3所示,當集中力F垂直作用于結(jié)構(gòu)上的A點時,假設(shè)存在桿BC,則根據(jù)結(jié)點等效荷載求法[6]可求出作用于結(jié)點B和C的荷載,同理可求出作用于i、i+1、j和j+ 1四個結(jié)點的等效荷載。
由于主梁單元的坐標方向與結(jié)構(gòu)有限元模型的整體坐標一致,所以只要能判斷出A點的與i點的位置關(guān)系,就可以求出各點的等效荷載在總體坐標系里的正負關(guān)系,最后將各結(jié)點等效荷載按所在結(jié)點位置疊加,就可以得到各集中力作用下,各結(jié)點的等效荷載。
A點與周邊四點的位置關(guān)系可通過以下命令流實現(xiàn)。
j=node(xc,yc)!求出與A點最近的結(jié)點號
j,xc和yc為A點的坐標;
xxc=xc-yc*tan(φ)!求出A點離U軸的水平距離;xxc1=nx(j)-ny(j)*tan(ang)!j結(jié)點離U軸的水平距離;*if,yc,lt,ny(j),then!A點在j點的上面;*if,xxc,ge,xxc1,then!A點在j點的右邊,因此A點在i-j-j+1-i+1范圍內(nèi)。
同理可通過A點的坐標與最近結(jié)點的坐標推導(dǎo)出A點與周邊四點的位置關(guān)系和四點的結(jié)點號。所以計算集中力加載的計算框圖如圖4所示。
2.2.4CBGP程序操作流程簡介
二次開發(fā)分析程序CBGP的操作過程如下:
第一步,將CBGP分析程序所有的38個宏文件復(fù)制到ANSYS的當前工作目錄下,或是C:Program FilesAnsys IncANSYS10docu目錄下(ANSYS10.0安裝在C盤的Program Files目錄),也可以將它們放在其它的宏搜索路徑下,有關(guān)宏搜索路徑的詳細說明可參閱文獻[7];
第二步,在ANSYS命令行中輸入CBGP,就顯示ANSYS操作界面;
第三步,輸入主梁截面的實參;
第四步,輸入主梁截面的材料屬性,輸入框如圖5所示;
第五步,輸入主梁幾何參數(shù)和建立有限元模型;
第六步,輸入各計算荷載,如汽車荷載輸入框如圖6所示;
第七步,截面的應(yīng)力重分布計算和撓度計算,計算完畢后在ANSYS工作目錄下自動生成結(jié)果文件stress-result和w-result.txt;
第八步,輸出所需要截面的結(jié)果文件,界面顯示如圖7所示。
如上所述,CBGP程序還具有數(shù)據(jù)檢查功能,在輸入?yún)?shù)的每一步過程中,根據(jù)需要可在ANSYS的當前工作目錄下自動生成一個檢查文件,給出當前輸入的參數(shù),如果檢查有誤可作相應(yīng)的修改。圖8給出主梁幾何參數(shù)情況。
2的試驗數(shù)據(jù),應(yīng)用CBGP分析程序分別計算整體澆筑斜箱梁的試驗?zāi)P驮陬A(yù)應(yīng)力作用時的反拱度以及工況四的最大荷載P=300kN加載時撓度和應(yīng)變(通過式(1)求得),計算結(jié)果如表1至3所示,其與文獻8的塊體有限元模型計算結(jié)果和試驗結(jié)果比較結(jié)果也列于表1至3。
式中,ε—計算點的應(yīng)變;
M—計算點所處截面受到的彎矩;z—計算點與截面形心軸的距離;
E、I—計算點所處截面的彈性模量和慣性矩。
表1 預(yù)應(yīng)力作用下整體澆筑斜箱梁的反拱度比較(單位:mm)
表2 工況四(P=300kN)作用下整體澆筑斜箱梁的撓度比較(單位:mm)
表3 工況四(P=300kN)作用下整體澆筑斜箱梁的應(yīng)變比較(單位:με)
從表1至表3可以看出:
CBGP程序與試驗的計算結(jié)果比較:預(yù)應(yīng)力的反拱度和工況四荷載作用下的撓度比值都在0.92至0.99之間,應(yīng)變的大多數(shù)比值都在0.88至1.01范圍內(nèi)。
CBGP程序與塊體模型計算結(jié)果比較:預(yù)應(yīng)力的反拱度和工況四荷載作用下的撓度比值都在0.94至0.97之間,應(yīng)變的比值都在0.90至0.99范圍內(nèi)。
因此CBGP程序的所建立的有限元模型計算結(jié)果與試驗結(jié)果和塊體有限元模型計算結(jié)果都符合良好,可以用CBGP程序的有限元模型對單箱多室結(jié)構(gòu)的進行設(shè)計分析。
本文從實際應(yīng)用的角度出發(fā),在大型有限元結(jié)構(gòu)分析軟件—ANSYS的基礎(chǔ)上進行二次開發(fā),編制了計算橫向分段施工預(yù)應(yīng)力混凝土斜箱梁受力性能的CBGP分析程序,計算人員無需了解應(yīng)力重分布的復(fù)雜過程,也無需掌握有限元結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYS復(fù)雜的建模、分析和結(jié)果處理的操作過程,只需輸入一些簡單的參數(shù),程序?qū)⒆詣油瓿捎邢拊P偷慕ⅰ⒑奢d的施加、結(jié)構(gòu)的分析以及結(jié)果的處理和查詢功能。通過運用修改的CBGP程序計算整體澆筑箱梁在預(yù)應(yīng)力作用下的反拱度,工況一和工況四荷載作用下的撓度與應(yīng)變,并與實測結(jié)果進行比較,兩者吻合良好,驗證程序的準確性。
參考文獻
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福建省教育廳A類科技項目(JA14374)