王選富，劉子利，李凡，厲佩佩，楊再榮，李潭飛

摘 要：通過(guò)ansys有限元軟件介紹了預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的處理方法，結(jié)合工程案例對(duì)比分析實(shí)體分割法、耦合節(jié)點(diǎn)法、約束方程法的計(jì)算模型，采用施加預(yù)應(yīng)力鋼筋初應(yīng)變法和降溫法，分析幾種方法的利弊，給出合理性建議。

關(guān)鍵詞：ansys分析方法;實(shí)體分割法;初應(yīng)變法

中圖分類(lèi)號(hào)：U445 ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006—7973（2019）12-0119-02

隨著交通事業(yè)如火如荼地進(jìn)行，橋梁的跨徑也越來(lái)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(yù)應(yīng)力鋼筋在大跨徑橋梁建設(shè)中起著至關(guān)重要的作用，橋梁的內(nèi)力計(jì)算也越來(lái)越復(fù)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(dǎo)意義，然而，不同建模方法計(jì)算出的結(jié)果存在一定的差異，導(dǎo)致同一座橋梁模型計(jì)算出來(lái)的承載力不一致，從而對(duì)橋梁實(shí)際承載能力作出不正確評(píng)估。預(yù)應(yīng)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(gòu)件，軟件對(duì)它的建模分析具有重要意義。

1預(yù)應(yīng)力的分析方法

Ansys中對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼束的處理方式有兩種，實(shí)體力筋法和等效荷載法。等效荷載法是將預(yù)應(yīng)力鋼束的作用和混凝土分開(kāi)考慮，以施加外荷載的方式代替預(yù)應(yīng)力鋼束的作用;實(shí)體力筋法是混凝土和預(yù)應(yīng)力鋼筋采用不同的單元進(jìn)行建模。而預(yù)應(yīng)力的添加可以采用降溫法和初應(yīng)變兩種方法實(shí)現(xiàn)。降溫法建?？梢阅M預(yù)應(yīng)力筋預(yù)應(yīng)力的損失，初應(yīng)變通常將預(yù)應(yīng)力筋和混凝土視為一個(gè)剛體，不考慮預(yù)應(yīng)力的損失。

降溫法即設(shè)置材料的初始溫度為0，然后根據(jù)公式（1）對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼束施加溫度荷載。

式中：T為溫度，F(xiàn)pre為力筋的預(yù)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(yù)應(yīng)力損失的折減系數(shù)。

初應(yīng)變法即使得鋼束本身帶有初應(yīng)變，根據(jù)公式（2）計(jì)算初始值。

式中：Istrn為鋼束初應(yīng)變值，Str為鋼束張拉應(yīng)力，E為鋼束的彈性模量，k為考慮預(yù)應(yīng)力損失的折減系數(shù)。

實(shí)體力筋法的分析中主要有以下處理方法：實(shí)體分割法、節(jié)點(diǎn)耦合法和約束方程法。本文主要對(duì)實(shí)體力筋法的三種方法進(jìn)行對(duì)比分析。

（1）實(shí)體分割法是先以混凝土結(jié)構(gòu)的幾何尺寸創(chuàng)建實(shí)體模型，然后通過(guò)工作平面將混凝土實(shí)體按照預(yù)應(yīng)力實(shí)際位置縱向和橫向切分成線(xiàn)，在混凝土實(shí)體上將與預(yù)應(yīng)力鋼筋線(xiàn)型重合的線(xiàn)定義為預(yù)應(yīng)力鋼筋。最后對(duì)混凝土單元和力筋單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分、張拉預(yù)應(yīng)力、施加荷載、定義邊界條件后進(jìn)行求解。

（2）節(jié)點(diǎn)耦合法是分別建立實(shí)體和力筋的幾何模型，創(chuàng)建幾何模型時(shí)不必考慮兩者的關(guān)系，然后對(duì)幾何模型的實(shí)體進(jìn)行各自的單元?jiǎng)澐帧Ｍㄟ^(guò)耦合節(jié)點(diǎn)自由度將力筋單元和實(shí)體單元聯(lián)系起來(lái)。

（3）約束方程法。通過(guò)ceintf命令把混凝土單元上的節(jié)點(diǎn)和力筋單元節(jié)點(diǎn)之間建立函數(shù)關(guān)系式。在分別建立幾何模型和單元?jiǎng)澐趾?，只需選擇力筋節(jié)點(diǎn)cintf命令自動(dòng)選擇保存單元的數(shù)個(gè)節(jié)點(diǎn)，在容差范圍內(nèi)與力筋的一個(gè)節(jié)點(diǎn)建立約束方程，通過(guò)多組約束方程，將力筋和混凝土連為整體計(jì)算分析。

2建模分析

本文以某跨徑20000mm的預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T梁為例，結(jié)構(gòu)布置和截面尺寸如圖1、圖2，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，預(yù)應(yīng)力鋼筋筋采用1860鋼絞線(xiàn)，張拉控制應(yīng)力為1395MP，鋼束面積Aer=3836mm2。

本文solid65單元模擬混凝土梁體，預(yù)應(yīng)力筋可以采用link180單元模擬。分析采用整體式實(shí)體分割法、節(jié)點(diǎn)耦合法、約束方程法進(jìn)行建模分析。Solid65單元用于含鋼筋或者不含鋼筋的三維實(shí)體模型，該實(shí)體模型可具有拉裂于壓碎的性能。該單元具有八個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)自由的;Link180單元是運(yùn)用較為廣泛的桿單元，這種三維桿單元是桿軸方向的拉壓?jiǎn)卧?，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有三個(gè)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(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土T梁進(jìn)行不同的建模分析，圖3-圖5為T(mén)梁變形圖、鋼束應(yīng)力云圖、混凝土應(yīng)力云圖。當(dāng)對(duì)T梁進(jìn)行實(shí)體切分時(shí)，T梁跨中下?lián)?.399mm，此時(shí)預(yù)應(yīng)力鋼束應(yīng)力36653pa，T梁上部邊緣受壓區(qū)應(yīng)力為-2879.59Pa，下部受壓區(qū)應(yīng)力為6811.94Pa;節(jié)點(diǎn)耦合法T梁下?lián)?.473mm，力筋應(yīng)力為39087.3Pa，上緣混凝土應(yīng)力為-2615.66，受拉區(qū)混凝土應(yīng)力為6573.28，約束方程法T梁跨中撓度為9.408，預(yù)應(yīng)力鋼束鋼束為36662.1Pa，上緣受壓區(qū)應(yīng)力為-2882.07，下緣受拉區(qū)混凝土應(yīng)力為6818.87Mp。數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表1。

由表1可知，實(shí)體分割法和約束方程法的變形結(jié)果比較接近，且都大于節(jié)點(diǎn)耦合法;節(jié)點(diǎn)耦合的力筋應(yīng)力比其他兩種方法大，混凝土下緣應(yīng)力較實(shí)體分割法和約束方程法小。如圖6-圖8為實(shí)體分割法、耦合節(jié)點(diǎn)法、約束方程法梁底中線(xiàn)順橋梁向應(yīng)力圖。

4 結(jié)論

本文通過(guò)ansys有限元軟件分別對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土T梁中預(yù)應(yīng)力鋼筋的處理方式進(jìn)行模擬對(duì)比分析，分別為實(shí)體分割法建模計(jì)算，節(jié)點(diǎn)耦合法建模型計(jì)算，約束方程法建模計(jì)算。三種模型中，節(jié)點(diǎn)耦合法預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力最大，而撓度和受拉區(qū)應(yīng)力及受壓區(qū)應(yīng)力均小于實(shí)體分割法和約束方程法;順橋向計(jì)算出的正應(yīng)力實(shí)體切分法和約束方程法更為接近，因?yàn)榧s束方程法是力筋節(jié)點(diǎn)與多個(gè)附近混凝土節(jié)點(diǎn)建立函數(shù)關(guān)系，效果較為明顯;三種方法中，約束方程法建模相對(duì)簡(jiǎn)便，計(jì)算結(jié)果比較理想，推薦使用相關(guān)結(jié)構(gòu)計(jì)算中。

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