基于ansys的预应力钢筋处理对比研究

基于ansys的预应力钢筋处理对比研究

王选富，刘子利，李凡，厉佩佩，杨再荣，李潭飞（贵州大学土木工程学院，贵州 贵阳 550025）

摘　要：通过ansys有限元软件介绍了预应力混凝土构件的处理方法，结合工程案例对比分析实体分割法、耦合节点法、约束方程法的计算模型，采用施加预应力钢筋初应变法和降温法，分析几种方法的利弊，给出合理性建议。关键词：ansys分析方法；实体分割法；初应变法

中图分类号：U445 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2019）12-0119-02随着交通事业如火如荼地进行，桥梁的跨径也越来越大，大跨径桥梁因其跨度和载重，使得桥梁跨中产生很大的弯矩。而混凝土本身抗拉能力极差，为此预应力钢筋在大跨径桥梁建设中起着至关重要的作用，桥梁的内力计算也越来越复杂。ansys是一款大型通用有限元分析软件，桥梁建模分析具有一定的理论指导意义，然而，不同建模方法计算出的结果存在一定的差异，导致同一座桥梁模型计算出来的承载力不一致，从而对桥梁实际承载能力作出不正确评估。预应力钢筋的出现大大提高了桥梁的承载能力，它是桥梁中重要的受力构件，软件对它的建模分析具有重要意义。

1预应力的分析方法

Ansys中对预应力钢束的处理方式有两种，实体力筋法和等效荷载法。等效荷载法是将预应力钢束的作用和混凝土分开考虑，以施加外荷载的方式代替预应力钢束的作用；实体力筋法是混凝土和预应力钢筋采用不同的单元进行建模。而预应力的添加可以采用降温法和初应变两种方法实现。降温法建模可以模拟预应力筋预应力的损失，初应变通常将预应力筋和混凝土视为一个刚体，不考虑预应力的损失。

降温法即设置材料的初始温度为0，然后根据公式（1）对预应力钢束施加温度荷载。

T=k×FpreE×aT×A（1）

式中：T为温度，Fpre为力筋的预加拉力，E为钢束的弹性模量，αT为钢束的膨胀系数，A为钢束的和截面积，k为考虑预应力损失的折减系数。

初应变法即使得钢束本身带有初应变，根据公式（2）计算初始值。

（2）

式中：Istrn为钢束初应变值，Str为钢束张拉应力，E为钢束的弹性模量，k为考虑预应力损失的折减系数。

实体力筋法的分析中主要有以下处理方法：实体分割法、节点耦合法和约束方程法。本文主要对实体力筋法的三种方法进行对比分析。

（1）实体分割法是先以混凝土结构的几何尺寸创建实体模型，然后通过工作平面将混凝土实体按照预应力实际位置

纵向和横向切分成线，在混凝土实体上将与预应力钢筋线型重合的线定义为预应力钢筋。最后对混凝土单元和力筋单元进行网格划分、张拉预应力、施加荷载、定义边界条件后进行求解。

（2）节点耦合法是分别建立实体和力筋的几何模型，创建几何模型时不必考虑两者的关系，然后对几何模型的实体进行各自的单元划分。通过耦合节点自由度将力筋单元和实体单元联系起来。

（3）约束方程法。通过ceintf命令把混凝土单元上的节点和力筋单元节点之间建立函数关系式。在分别建立几何模型和单元划分后，只需选择力筋节点cintf命令自动选择保存单元的数个节点，在容差范围内与力筋的一个节点建立约束方程，通过多组约束方程，将力筋和混凝土连为整体计算分析。

2建模分析

本文以某跨径20000mm的预应力混凝土简支T梁为例，结构布置和截面尺寸如图1、图2，混凝土强度等级为C40,预应力钢筋筋采用1860钢绞线，张拉控制应力为1395MP，钢束面积Aer=3836mm2。

图1 T梁几何尺寸

图2 ansys有限元模型

本文solid65单元模拟混凝土梁体，预应力筋可以采用link180单元模拟。分析采用整体式实体分割法、节点耦合法、约束方程法进行建模分析。Solid65单元用于含钢筋或者不含钢筋的三维实体模型，该实体模型可具有拉裂于压碎的性能。该单元具有八个节点，每个节点有三个自由的；Link180单元是运用较为广泛的杆单元，这种三维杆单元是杆轴方向的拉

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表1 结果比较

计算方法实体分割法节点耦合法约束方程法

变形（mm）

9.3998.4739.408

力筋应力（Pa）

3665339087.336662.1

上缘应力（Pa）

-2877.92-2615.66-2882.07

下缘应力（Pa）

6811.496573.286818.87

压单元，每个节点具有三个自由度，网格划分采用映射网格，混凝土网格采用10mm。

3内力变化

ansys对预应力混凝土T梁进行不同的建模分析，图3-图5为T梁变形图、钢束应力云图、混凝土应力云图。当对T梁进行实体切分时，T梁跨中下挠9.399mm，此时预应力钢束应力36653pa，T梁上部边缘受压区应力为-2879.59Pa，下部受压区应力为6811.94Pa；节点耦合法T梁下挠8.473mm，力筋应力为39087.3Pa，上缘混凝土应力为-2615.66，受拉区混凝土应力为6573.28，约束方程法T梁跨中挠度为9.408，预应力钢束钢束为36662.1Pa，上缘受压区应力为-2882.07，

图3 变形图

图4 力筋应力图

图5 混凝土应力图

下缘受拉区混凝土应力为6818.87Mp。数据对比见表1。

由表1可知，实体分割法和约束方程法的变形结果比较接近，且都大于节点耦合法；节点耦合的力筋应力比其他两种方法大，混凝土下缘应力较实体分割法和约束方程法小。如图6-图8为实体分割法、耦合节点法、约束方程法梁底中线顺桥梁向应力图。

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图6 约束方程法梁底

图7 约束方程法梁底

图8 约束方程法梁底

4 结论

本文通过ansys有限元软件分别对预应力混凝土T梁中预应力钢筋的处理方式进行模拟对比分析，分别为实体分割法

建模计算，节点耦合法建模型计算，约束方程法建模计算。三种模型中，节点耦合法预应力钢筋应力最大，而挠度和受拉区应力及受压区应力均小于实体分割法和约束方程法；顺桥向计算出的正应力实体切分法和约束方程法更为接近，因为约束方程法是力筋节点与多个附近混凝土节点建立函数关系，效果较为明显；三种方法中，约束方程法建模相对简便，计算结果比较理想，推荐使用相关结构计算中。参考文献：

[1] 王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].人民交通出版社，2007.10.

[2] 张立明.Algor、Ansys在桥梁工程中的应用方法与实例[M].人民交通出版社，2003.9.

[3] 夏荣泉.预应力混凝土梁极限承载力非线性有限元研究[D].西安，长安大学，2005.6.