基于ANSYS的复杂箱形截面预应力混凝土简支梁分析

邹小波 王剑越 钟顺美

（重庆大学土木工程学院，重庆 400045）

ANSYS软件已经成为土木建筑行业仿真分析软件的主流。ANSYS在钢结构和钢筋混凝土房屋建筑、体育场馆、桥梁等工程中得到了广泛的应用。可以对这些结构在各种外荷载条件下的受力、变形、稳定性及各种动力特性做出全面分析，从力学计算、组合分析等方面提出了全面的解决方案，为土木工程师提供了功能强大且方便易用的分析手段。长期以来，人们一直都用线弹性理论来分析预应力混凝土结构的应力，用这样方法并不能完整而精确的模拟结构的受力情况，在大部分情况下，得到的结果都存在失真的情况。而自从ANSYS等数值分析方法被引入预应力混凝土结构分析中时，其可以对结构受力的全过程进行模拟分析，获得不同阶段的受力情况。

1 试验梁简介

本试验梁的跨度为6m，两端简支，跨中典型截面为单箱五室，梁宽2.58m，梁高0.85m，上部为槽形，底部为圆弧形，见图1。

图1 预应力混凝土梁

混凝土强度为 C50，E=3.45e4Mpa，v=0.2；普通受力钢筋和箍筋均采用Q235级光圆钢筋，直径为8mm，预应力钢绞线采用1860级7股钢绞线，E=2e5Mpa，线膨胀系数 α=2.1e-5，预应力 σ=1395Mpa；在试验过程中，采用三分点加载。

2 ANSYS建模方法

2.1 钢筋混凝土建模方法

钢筋混凝土有限元模型根据钢筋的处理方式主要分为三种:分离式、整体式、组合式模型。分离式:把混凝土和钢筋作为不同的单元来处理，钢筋和混凝土之间可以插入粘结单元来模拟钢筋和混凝土之间的粘结和滑移。一般钢筋混凝土是存在裂缝的，也就是说要考虑粘结的失效与滑移，所以此种模型的应用最为广泛；组合式:一种是分层组合式，在横截面上分成许多混凝土层和若干钢筋层，并对截面的应变作出某些假设。另一种就是采用带钢筋膜的等参单元。

在ANSYS中模拟预应力筋的方式有两种:等效荷载法和实体力筋法。前者用等效的垂直荷载来代替预应力，此法主要优点是建模简单，可以不考虑预应力筋的位置，但缺点是不利于模拟像力筋位置等因素对整体结构的影响情况，没有考虑力筋对混凝土的作用分布和方向；而后者可以得到力筋在任何外荷载作用下的应力响应，可以模拟预应力的损失。

本文采用分离式的方法来模拟普通钢筋和预应力筋，以便保证有限元模拟的完整性。

2.2 单元类型的选择

采用SOLID65来模拟混凝土；用LINK8来模拟预应力筋；采用PIPE20来模拟普通钢筋。其中SOLID65是专门为混凝土、岩石等抗压能力远大于抗拉能力的非均匀材料开发的单元。它可以模拟混凝土中的加强钢筋，以及材料的拉裂和压溃现象。它是在三维8节点等参单元SOLID45的基础上，增加了针对混凝土的性能参数和组合式钢筋模型。SOLID65可以最多定义3种不同的加固材料，即此单元允许同时拥有四种不同的材料。钢筋的力学模型简单，本文一般采用双线性随动强化模型来模拟；由于混凝土是一种弹塑性混合材料，本够关系比较复杂，在实际模拟时不好把握。但本有限元模型不涉及到混凝土开裂的问题，所以可近似看成线弹性匀质材料。

2.3 模型的建立和单元网格划分

采用二分之一对称模型，根据试验梁的情况，建模时采用分离式模型，建模后，钢筋和混凝土之间可以共同工作，所以不再需要进行节点的耦合；划分单元时，混凝土单元和预应力筋或钢筋的划分方式一致，不考虑两着之间的滑移预应力采用降温法来模拟，温度值通过张拉预应力的值反算得到。模型的有限元划分如图2。

图2 模型的有限元划分图

2.4 模型的加载与求解

首先，分析选项采用完全的牛顿-拉普森方法，分析类型采用静力分析（STATIC）。最后开始施加垂直荷载，包括边界条件，并指定荷载步选项。并对结构的几何模型、材料属性、边界条件等进行检查。由于ANSYS中混凝土计算的收敛是经常遇到的难点之一，主要受网格密度、子步数、收敛准则影响。网格密度适当能够收敛，不是网格越密越好；子步数的设置比较重要，设置太大或太小都不能达到正常收敛。

3 模型计算结果分析

3.1 模型截面应力分析

图3和图4是分别是跨中截面沿梁长方向和沿横截面方向的应力图。由图3和图4可以看出，首先，无论是沿梁长方向分布的应力还是沿梁宽方向分布的应力，由于加载点是对称的，所以截面的应力分布也是对称的；对于沿梁长方向的应力，从图3很明显可以看出，应力最集中的地方是在两加载点之间的部分，即两肋之间的地方，越往上，应力越小。模型的应力分布很好的解释了试验钢筋出现断裂的位置。试验中纵向钢筋出现断裂的位置基本上也是集中在跨中加载点之间，越往上就很少有纵向钢筋出现断裂；图4是跨中截面横向的应力分布。由此可见，总体上来讲，跨中截面横向的应力要比纵向应力要小，这就很好的解释了在试验过程当中，横向钢筋没有出现断裂的情况（本试验中横向钢筋和纵向钢筋的抗拉强度是一样的）。

图3 跨中截面纵向应力分布图

图4 跨中截面横向应力分布图

3.2 模型整体应力分析

图5是荷载作用时，模型的整体纵向应力分布情况。从图5可以看到，在加载点附近，由于荷载作用，出现了应力集中。所以本次试验应在加载点附近增加钢筋的用量，防止应力过于集中，出现局部面积的压溃。从图中还可以得知，跨中部分的应力比较集中，在试验时，应该密切关注这些地方的应变变化情况。

图5 模型整体应力分布图

4 小结

通过对ANSYS计算结果和试验数据的分析，可以得到以下结论:此次模型梁静载试验过程的模拟所得到的应力分布与试验测得的应力分布基本吻合。由于本模型在几何尺寸、钢筋分布、荷载作用和加载点等要素上的模拟基本符合试验的实际情况，所以除去试验的一些非客观因素，试验所得的数据与模拟得到的数据在一定程度上相吻合。在模型中假设钢筋和混凝土之间的粘结强度很大，可以很好的协同工作，所以模拟得到的梁承载力比试验的要大。实际试验时混凝土和钢筋的粘结强度很差，所以必须改进工艺，提高混凝土和钢筋之间的粘结强度。

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