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

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。

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。

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。通過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。

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，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。

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.