第35卷 增刊(I) 东南大学学报(自然科学版) Vol.35 Sup(I)2005年7月 JOURNAL OF SOUTHEAST UNIVERSITY (Natural Science Edition) July 2005
基于ANSYS的预应力筋张拉顺序数值模拟及优化
田英辉1 赵 瑜1, 2 闫澍旺1 刘力伟1 程栋栋1
（1天津大学建工学院, 天津 300072） （2华北水利水电学院土木工程系, 郑州 450008）
摘要: 后张法预应力混凝土构件在预应力筋进行张拉时, 一般基于对称张拉的原则, 确定张拉顺序. 采用有限元程序对某大型后张法预应力构件的张拉过程进行了仿真模拟. 基于2种不同张拉顺序的方案, 计算出2种张拉顺序对构件应力和变形的影响, 并对张拉顺序进行了优化. 该方法可为类似大型预应力构件的张拉顺序提供一个参考.
关键词: 预应力混凝土; 预应力筋张拉; 数值模拟; 有限元程序
中图分类号: TU757 文献标识码: A 文章编号: 1001-0505(2005)增刊(I)-0124-05
Numerical simulation and optimization of tension sequence
of prestressed reinforcing steel bar based on AYSYS
Tian Yinghuil1 Zhao Yu1 , 2 Yan Shuwang1 Liu Liwei1 Cheng Dongdong1
(1 School of Civil Engineering, Tianjin University, Tianji 300072, China)
(2 Department of Civil Engineering, North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power, Zhengzhou 450008, China)
Abstract: The tension sequence is generally determined by using symmetry principle in tensioning a post-tension construction member. Simulation of the tensioning process of a large post-tension construction member was conducted with finite element analysis program. With two different tensioning schemes, the influence of the tensioning sequence on stress and deformation is calculated and the tensioning sequence is optimized. This analysis method provides a reference to similar tensioning sequence of large construction members.
Key words: prestressed concrete; tension of prestressed steel bar; numerical simulation; finite element analysis
1 预应力混凝土
对于采用高强钢材作配筋的预应力混凝土, 可以从3种不同的角度来分析其性质[1~3]. 1.1 预加应力能使混凝土在使用状态下成为弹性材料
混凝土可以等效地视为承受2种力系: 内部预应力和外部荷载. 如图1所示, 预应力混凝土在距轴线偏心e的预留孔道处施加预应力Np. 则混凝土截面的正应力为
σc=
NpAc
+
NpeyIc
−
MyIc
(1)
式中, Ac,Ic为混凝土截面面积和抗弯惯性矩. 收稿日期：2005-05-16.
作者简介：田英辉(1976—), 男, 博士生, efield76@163.com; 闫澍旺(联系人), 男, 教授.
增刊(I) 田英辉等: 基于ANSYS的预应力筋张拉顺序数值模拟及优化
1.2 预加应力能使高强钢材和混凝土共同工作并发挥两者的潜力
预应力混凝土构件中的高强钢筋只有在与混凝土结合之前预先张拉, 使混凝土预先受压, 在荷载作用下具有抗拉的储备能力, 才能使高强钢筋发挥作用. 因此, 可以认为预加应力是一种充分利用高强钢材能力、改变混凝土工作状态的有效手段. 1.3 预加应力实现荷载平衡
林同炎教授提出预加应力的作用可认为是对混凝土构件预先施加与使用荷载方向相反的荷载, 用以抵消部分或全部使用荷载效应.
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图1 偏心预加力和外荷载作用下的应力分布
2 ANSYS模拟预应力混凝土
2.1 等效荷载法
ANSYS中第一种模拟预应力筋的方法即是等效荷载法, 即把预应力筋的作用以等效荷载的形式作用于混凝土结构[4, 5]. 如图2所示, 简支梁中的预应力筋为二次抛物线线型, 跨中垂高为f, 则抛物的方程为
y(x)=
弯矩和分布荷载的关系为
4f24f−eB+eA
x−x+eA (2) 2
LL
d2M
(3) q(x)=−dx2
q
图2 等效荷载示意图
d2d2Md2
=−2Np(x)y(x)+ax+b=−2Np(x)y(x) (4) q(x)=−
dxdx2dx
[][]式中, Np,M为预加力和预加力引起的弯矩.
将式(2)代入式(4)中, 若预加力为定值, 可得:
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8Npfd2⎡4f24f−eB+eA⎤
x+eA⎥=−2 q(x)=−Np2⎢2x− (5)
dx⎣LLL⎦
此方法建模简单、网格划分方便, 但此方法只适合用作求结构在预应力作用下的整体效应, 无法模拟预应力筋的张拉过程. 2.2 实体预应力筋法
实体力筋法是ANSYS模拟预应力混凝土的另一种方法, 即将混凝土与钢筋分别划分单元[6~8]. 2.2.1 建模方法
用实体预应力筋法建立模型可采用2种不同的途径:
1)体分割法 首先建立混凝土模型, 一般采用工作平面划分体, 形成一条线, 定义为预应力筋. 此方法建立的钢筋模型位置精确, 但当预应力筋较多时, 将形成很多复杂的小体块, 给划分网格带来较大的困难. 而且, 此方法不适合建立曲线预应力筋.
2)独立建模耦合法 此方法的基本思想是将混凝土和预应力筋分别建立成独立的单元, 采用耦合方程将混凝土和预应力筋单元的自由度耦合起来. 结合ANSYS中的ADPL, 用此方法建立模型的效率很高而网格划分方便. 只在在网格划分较粗时, 预应力筋的位置稍有偏差. 2.2.2 预应力的模拟
预应力的模拟可采用初始应变和降温法. 初始应变法是在钢筋单元的实常数中设置初始应变为
σpe/E, 其中σpe为有效预应力, E为弹性模量. 降温法是将钢筋单元人为施加温降ΔT, 从而引起钢筋收
缩, 模拟预应力张拉效应. 施加的温降为
ΔT=
式中,
σEα (6)
σ为施加的预应力; α为线膨胀系数.
3 工程算例
3.1 工程背景
西安某展厅屋梁总长31m, 高1.7 m, 为变截面型梁(见图3). 共设有12根预应力钢筋, 翼板上布置6根, 中轴线2根曲线筋, 腹板上布置4根预应力筋. 计算参数如表1所示.
图3 梁体示意图
表1 计算参数
材料
弹性模量 /MPa
泊松比 0.3 0.2
混凝土 2.07×105 钢筋 3.6×105
3.2 有限元模型
混凝土、钢筋分别采用SOLID65,LINK8单元. 直线筋采用体分割法建立, 曲线筋采用独立建模耦合法. 划分网格后单元如图4所示.
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图4 单元模型图 图5 荷载及约束图
3.3 荷载及约束
梁所受荷载为自重以及施加的张拉预应力. 约束条件为简支梁, 一端不允许移动, 另一端允许轴向移动. 如图5所示.
3.4 两种张拉顺序方案
根据后张法预应力混凝土的设计和施工经验, 对此大构件应采用构件两端同时张拉. 根据对称张拉的原则, 提出如图6所示的2种张拉顺序方案[9].
109 8 3 4 5 8 3 4 6 10
1
1
2
2
6 7 5 7
9 1112 11
方案一
图6 张拉顺序方案
方案二
3.5 计算结果
记录2种方案在张拉过程中每步的应力和变形. 方案一中某步时
的应力云图如图7所示(由于篇幅所限, 不列出其他图示).
图7 张拉应力云图
张拉过程中的变形和应力变化过程如图8所示.
60908050 704060 503040 3020201010 00 002468101224681012 方案一方案二方案一方案二 图8 变形及应力发展过程
3.6 方案比选
由于2种方案都是基于对称张拉的出发点, 所以计算结果较为接近. 从计算结果中可以看出, 方案一的变形较小, 应力发展慢, 所以方案一较方案二更具合理些.
4 结 语
本文采用大型有限元软件, 对后张法预应力混凝土构件的张拉顺序进行了仿真模拟和优化, 可为类似大型预应力混凝土构件在进行张拉设计及施工时提供一种参考.
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