ANSYS预应力钢筋建模方法总结

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        在使用ANSYS对预应力构件进行分析时,常常由于预应力钢筋的存在加大了模型的建模以及分析难度。本文对常见的预应力钢筋建模方法略做了总结。

        ANSYS对预应力钢筋的分析方法从大体上主要分为两种:等效载荷法和实体力筋法。所谓等效载荷法也即是将混凝土和预应力钢筋的作用分别考虑,且以外加荷载的形式取代预应力钢筋的作用,而实体筋法则是在建模过程采用Solid65单元模拟混凝土,link180单元模拟预应力钢筋。

        下面就分别针对这两种方法的特点略做简要总结。

         一、等效载荷法

        该方法的主要优点就是建模简单,不必考虑力筋的具体位置,网格划分较为容易,使用该方法可以较为容易得到结构在预应力作用下的整体效应。        

        但该方法的缺点也显而易见,主要如下:

        1、该方法没有考虑力筋对混凝土的作用分布以及方向。

        2、由于预应力钢筋通常是不规则形状,因此对某些线性的力筋模拟较为困难,例如常见的直线(较短)+曲线+直线(很长)+曲线+直线(较短)。

        3、无法得到结构细部的受力反应。

        4、当结构同时有外部荷载作用时,其共同作用难以考虑。

        5、张拉过程无法模拟

        6、无法模拟应力损失等其他一些不利因素。

        二、实体力筋法

        与等效荷载法不同,实体力筋法将混凝土和预应力钢筋划分为不同的单元,并且考虑其相互间的作用,此时预应力的施加可以通过降温或者初应变两种方式实现。两种施加初应力的方法相比较而言,降温法比较简单,同时还能模拟力筋的应力损失。初应变法一般情况下是不能考虑预应力损失,工作量较大。

        从上述描述可见,采用实体力筋法模拟预应力效应时,结构建模较为复杂,尤其是当预应力钢筋较多且多为不规则线性时,对结构单元的划分带来的工作量较大,并且极容易出现不规则单元形状。

        相比等效荷载法而言,实体力筋法有较多优点:

        1、由于在建模过程中准确定位了预应力钢筋,因此该方法能充分考虑预应力钢筋对结构的影响。

        2、可以模拟不同程度的张拉。

        3、可以得到结构在预应力和其他荷载共同作用下的反应。    

        4、可以模拟应力损失的影响。

        因此,在具体分析过程中,需要根据分析目的选择合适的方法,例如,如果只关心结构在预应力钢筋作用下的整体响应,可以选择等效载荷法,而如果要考虑力筋不同线形、不同张拉程度、应力损失或者需要观察局部应力反应时,则可以选择实体力筋法。

       那么当选择实体力筋法建模时,怎么处理好预应力钢筋与混凝土的关系呢?

        一般说来,主要有三种方法:实体分割法、节点耦合法以及约束方程法。

        所谓实体分割法,也即是和普通钢筋混凝土分离式建模方法相类似。先建立混凝土几何体,然后利用工作平面和力筋线拖拉形成的面,将混凝土几何体进行切割,得到混凝土几何体内的预应力钢筋线。但如果力筋线很复杂时,建模较为繁琐。

        节点耦合法的基本思路是分别建立实体和力筋的几何模型,建模时不考虑两者之间的关系。在对各自进行网格划分后,采用耦合自由度节点将力筋单元和实体单元联系起来。

        约束方程法借用节点耦合的概念,通过CEINTF命令在混凝土节点与钢筋节点之间建立约束方程。并且可以设定容差范围,在该范围内,选中混凝土的数个单元节点与钢筋单元的一个节点建立约束方程,通过多组约束方程,将力筋单元与混凝土单元连接为整体。相比其他两种方法,该方法不仅建模效率高,并且也较为符合实际,计算结果较为准确。

       实际建模过程中,需要根据具体情况选择建模方法,上述总结也只是对各种方法的略微总结,具体问题还需具体分析,结合各种方法来实现也不是不可能的。 

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