預應力的實現
在常用的軟件系統中,預應力混凝土分析根據作用不妨分為兩類:即分離式和整體式,所謂分離式就是將混凝土和力筋的作用分別考慮(脫離體),以荷載的形式取代預應力鋼筋的作用,典型的如等效荷載法;而整體式則是將二者的作用一起考慮,典型的如ANSYS中用LINK單元模擬力筋的方法。
1 線性或非線性的考慮
對于預應力混凝土結構,只要是開裂前階段的應力分析,完全可以將混凝土視為彈性材料,當然鋼筋也是彈性材料;這主要在使用荷載階段(Ⅱ類預應力混凝土結構除外)的應力分析。假如要進行開裂和極限分析,則必須考慮二者的非線性特性。
2 分離式方法(等效荷載法)的特點
主要優點是建模簡單,不必考慮力筋的位置而可直接建模,當然網格劃分也簡單;對結構的在預應力作用下的整體效應可比較快捷的掌握。
其缺點是比較明顯的:
①不便模擬細部,例如力筋所在位置對結構的影響顯然是不同的;假如一定要模擬,則荷載必須施加在力筋的位置上,故其建模的方便性就消失了;
②等效荷載法沒有考慮力筋對混凝土的作用分布和方向,力筋對混凝土作用顯然在各處是不同的,而等效荷載法則沒有計及此點;
③對張拉過程無法模擬;
④在其它外荷載作用下的共同作用不便考慮,否則要加入力筋(其建模則同整體式),不能確定力筋在外荷載作用下的應力增量;
⑤無法模擬應力損失引起的力筋各處應力不等的因素。
大凡不少專家學者認為可以采用等效荷載法,無非是對于按桿系結構分析時方便而言的。而對于考慮實體,反而不考慮上述的某些因素,顯然不合理。
綜上:對于只關注預應力混凝土結構的基本性能時,可以考慮采用等效荷載法。
3 整體式方法的特點
將混凝土和力筋劃分為不同的單元一起考慮,而模擬預應力可以采用降溫方法和初應變方法。降溫方法比較簡單,同時可以模擬力筋的損失,單元和實常數幾種即可;而采用初應變又要模擬力筋各處不同的應力時,每個單元的實常數各不相等,工作量較大。所以比較而言,采用整體式時考慮降溫方法為宜。
主要缺點是建模不便,尤其是當力筋較多且曲線布筋時(可以采用APDL解決);其優點也比較明顯:
①力筋的具體位置一定,對結構的影響可盡情的考慮;
②力筋對混凝土的作用近似的得到考慮(在結點處);
③可以模擬張拉不同的力筋,以優化張拉順序;
④不管何種荷載,都是力筋和混凝土共同承擔的,可以得到力筋在任何荷載下的應力;⑤可以模擬應力損失的影響。
但在后張法中有幾個問題是應該考慮的(當然可以不予理睬):
①力筋的滑動問題:在張拉過程中,力筋與混凝土之間沒有粘結,存在接觸和滑動;而張拉完畢后,一般又都建立了粘結。這個問題可以這樣考慮,因為分析總是張拉完畢(哪怕是某一束),這時顯然沒有滑動問題了,即可以按有粘結處理;而在荷載作用下有了粘結,自然可以按有粘結處理。但是對于無粘結預應力混凝土和體外預應力混凝土另當別論,體外倒簡單,無粘結的曲線力筋則麻煩了;(等效荷載法也存在該問題,但更沒有辦法考慮)
②基本上接著上述問題,大家知道,在張拉完畢后力筋的應力是已知的!(也就是確定的),在分析時輸入降溫也是按張拉應力反算的,計算后力筋的應力顯然不等于張拉應力!這里有彈性壓縮的問題,即降溫應該計入混凝土彈性壓縮損失,這就比較麻煩(等效荷載法不存在該問題,施加多少是多少)你可以考慮增大一定的比例,然后降溫計算,二者相符或差別合適時認可。
綜上:研究類計算分析,建議采用整體式之降溫模擬方法。
加個小例子:
!簡支梁實體與預應力鋼筋分析
/COM, Structural
/PREP7
egjx=2e5 !Ey
agjx=140 !單根鋼絞線面積
ehnt=4e4 !Eh
xzxs=1.0e-5 !線脹系數
yjl=200000 !定義預加力
et,1,link8 !定義link8單元
et,2,solid95 !定義solid95單元
r,1,agjx !定義link8單元的面積
r,2 !定義第2種實常數
mp,ex,1,egjx !定義link8單元的彈性模量
mp,prxy,1,0.3 !定義link8單元的泊松系數
mp,alpx,1,xzxs !定義線膨脹系數
mp,ex,2,ehnt !定義solid95單元的彈性模量
mp,prxy,2,0.3 !定義solid95單元的泊松系數
blc4, , ,100,200,3000 !定義梁體
/view,1,1,1,1 !定義ISO查看
/ang,1
vplot !繪制梁體
kwpave,6 !工作平面移動到關鍵點6
wpoff,-30 !工作平面移動-30mm
wprot,0,0,90 !工作平面旋轉
v***w,1 !分割梁體
wpoff,0,0,-40 !工作平面移動-40mm
v***w,2 !分割梁體
wpoff,0,40 !工作平面移動40mm
wprot,0,90 !工作平面旋轉
v***w,all !分割梁體
wpstyl !關閉工作平面顯示
nummrg,all,,,,low !整理
numcmp,all !壓縮編號
esize,30 !定義網分時邊長控制
lsel,s,,,28,38,10 !定義line28和38為新的選擇集
latt,1,1,1 !定義選擇集的屬性
lmesh,all !對線劃分單元
allsel,all !新的選擇集為所有的實體
gplot !繪制所有的實體
vsel,s,,,all !定義所有體為選擇集
vatt,2,2,2 !定義選擇集的屬性
mshape,0,3d !將體劃分單元的形狀定位HEX
mshkey,1 !采用MAPPED劃分器
vmesh,all !對體進行劃分單元
finish
/solu
dl,3,,all !對線line7施加約束(UX,UY,UZ)
dl,16,,all !對線line31施加約束(UX,UY,UZ)
dl,23,,all !對線line23施加約束(UX,UY,UZ)
dl,2,,uy !對線line4施加約束(UY)
dl,15,,uy !對線line30施加約束(UY)
dl,22,,uy !對線line23施加約束(UY)
dk,2,,,,,ux,uy !對關鍵點2約束(UX,UY)
bfl,28,temp,-yjl/(xzxs*egjx*agjx) !對鋼絞線施加溫度
bfl,38,temp,-yjl/(xzxs*egjx*agjx) !對鋼絞線施加溫度
solve !求解
finish
/post1
plnsol,s,z,0,1 !繪制Z方向的應力
etable,sigi,ls,1 !定義鋼筋單元數據表
plls,sigi,sigi,1 !繪制上述應力
!finish
!/exit,nosav
--------------------------------------------------
預應力混凝土分析中等效荷載法與其它
眾所周知,在ANSYS中,預應力混凝土分析(有粘結)可采用等效荷載法和實體力筋法。所謂等效荷載法,就是將力筋的作用以荷載的形式作用于混凝土結構;所謂實體力筋法就是用solid模擬混凝土,而link模擬力筋。
1 等效荷載法的優缺點
優點是建模簡單,不必考慮力筋的具體位置而可直接建模,網格劃分簡單;對結構的在預應力作用下的整體效應比較容易求得。
其主要缺點是:
①等效荷載法沒有考慮力筋對混凝土的作用分布和方向,力筋對混凝土作用顯然在各處是不同的,等效荷載法則無法考慮;水平均布分量沒有考慮。
②對某些線形的力筋模擬困難,例如通常采用的是直線(較短)+曲線+直線(很長)+曲線+直線(較短),這種形式的布筋等效起來麻煩,且可能不合理。
③難以求得結構細部受力反映,否則荷載必須施加在力筋的位置上,這又失去建模的方便性。
④在外荷載作用下的共同作用難以考慮,不能確定力筋在外荷載作用下的應力增量。
⑤對張拉過程無法模擬。
⑥無法模擬應力損失引起的力筋各處應力不等的因素。
其最大的一個缺點是:較粗!得到的結果與實際情況誤差較大!最近做了點實際計算,經過比較發現,結果與實際的誤差相差較多(可能是特例),所以采用該方法需要謹慎和校驗一下。
2 實體力筋法的優缺點
將混凝土和力筋劃分為不同的單元,預應力的模擬可以采用降溫方法和初應變方法。降溫方法比較簡單,同時可以模擬力筋的損失,單元和實常數幾種即可;初應變通常不能考慮預應力損失,否則每個單元的實常數各不相等,工作量較大。
可消滅等效荷載法的缺點。但建模工作量似乎要大些。
預應力混凝土分析中實體力筋法的ansys處理過程
有兩種處理方法,一是體分割法,二是采用獨立建模耦合法。
1 體分割法
用工作平面和力筋線拖拉形成的一個面,將將體積分割(divide),分割后體上的一條線定義為力筋線。這樣不斷分割下去,最終形成許多復雜的體和多條力筋線,然后分別進行單元劃分,施加預應力、荷載、邊界條件后求解。這種方法是基于幾何模型的處理,即幾何模型為一體,力筋位置準確,求解結果精確,但當力筋線形復雜時,建模特別麻煩。
2 獨立建模耦合法
該法的基本思想是實體和力筋獨立建幾何模型,分別劃分單元,然后采用耦合方程將力筋單元和實體單元聯系起來,這種方法是基于有限元模型的處理。其基本步驟如下:
①建立實體幾何模型(不考慮力筋);
②建立力筋線的幾何模型(不考慮體的存在);
③將幾何模型按一定的要求劃分單元(這時也是各自獨立的);
④選擇所有力筋線;
⑤選擇與上述力筋相關的節點(nsll命令),并定義選擇集;
⑥將上述力筋節點存入數組;
⑦選擇所有節點,并去掉⑤中的節點集(這時是除力筋節點外的所有節點);
⑧按力筋節點數組搜尋所有最近的實體節點號,并存入數組中;
⑨耦合力筋節點與最近的節點,一一耦合(cp命令)(不能使用cpintf命令,這樣可能耦合其它節點,且容易不耦合)
⑩選擇所有,并施加邊界條件和荷載,可以求解了。
這種方法建模特別簡單,耦合處理也比較簡單(APDL要熟悉些),缺點是當實體單元劃分不夠密時,力筋節點位置可能有些走動,但誤差在可接受范圍之內!這種方法是解決力筋線形復雜且力筋數量很多時的較佳方法。
1 等效荷載法也是可以使用的,某些特例可能影響較大,但一般情況下是可以的。
2 獨立建模的是好方法,但以犧牲計算效率為代價。
3 下面給出個小例題,以供討論。
!預應力簡支梁彈性分析--體線獨立耦合法示例
!-----------------------------------------
/prep7
eg=2e5
ag=140
eh=4e4
r0=9345
yyl=200000
et,1,link8
et,2,solid95
r,1,ag,yyl/eg/ag*1.036258
r,2
mp,ex,1,eg
mp,prxy,1,0.3
mp,ex,2,eh
mp,prxy,2,0.2
blc4,,,100,200,3000
/view,1,1,1,1
/ang,1
vplot
!------------定義力筋線
ksel,all
*get,kp0,kp,0,num,max
lsel,none
k,kp0+1,50,160
k,kp0+2,50,160,3000
k,kp0+3,50,800,1500
larc,kp0+1,kp0+2,kp0+3,r0
kdele,kp0+3
*get,line1,line,0,num,min
!-------------定義約束
lsel,s,loc,z,0
lsel,r,loc,y,0
dl,all,,uy
lsel,s,loc,z,3000
lsel,r,loc,y,0
dl,all,,all
allsel,all
!-----------單元劃分
lsel,s,,,line1
latt,1,1,1
lesize,all,,,50
lmesh,all
vsel,all
vatt,2,2,2
lsel,s,loc,z,0
lsel,r,loc,y,10,140
lesize,all,,,8
lsel,s,loc,z,0
lsel,u,loc,y,10,140
lesize,all,,,4
lsel,s,loc,y,0
lsel,r,loc,x,0
lesize,all,,,50
vsweep,all
allsel,all
!耦合自由度
lsel,s,,,line1
nsll,s,1
cm,cmljnod,node
*get,max1,node,0,count
*dim,ojd,,max1
*dim,jd,,max1
*get,nod1,node,0,num,min
ojd(1)=nod1
*do,i,2,max1
ojd(i)=ndnext(ojd(i-1))
*enddo
allsel,all
nsel,all
cmsel,u,cmljnod
*do,i,1,max1
nod1=ojd(i)
j=nnear(nod1)
jd(i)=j
*enddo
nsel,all
ji=1
*do,i,1,max1
cp,ji,ux,ojd(i),jd(i)
cp,ji+1,uy,ojd(i),jd(i)
cp,ji+2,uz,ojd(i),jd(i)
ji=ji+3
*enddo
allsel,all
ji=
i=
max1=
nod1=
ojd=
jd=
j=
ag=
eg=
eh=
kp0=
r0=
yyl=
line1=
finish
/solu
solve
finish
/post1
pldisp,1
etable,sigi,ls,1
plls,sigi,sigi,1
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