ANSYS Workbench预应力钢筋模拟方法

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预应力钢筋的模拟一直是比较难的一个点,特别是对于使用workbench的同学而言。本文以某预应力T型梁为例,介绍在Workbench中预应力钢筋的建模方法。
预应力T型梁概况如下:
某预应力混凝土T型截面简支梁,计算跨径为39m,结构布置和截面尺寸如下图(不考虑段部锚固和端部加宽),混凝土等级为C50,弹性模量为34.5Gpa,泊松比为0.2,密度2400kg/m^3,预应力筋采用1860钢绞线,张拉控制应力为1395Mpa,钢束面积为3836mm^2 ,预应力筋弹性模量为195Gpa,泊松比0.3,密度7850kg/m^3。

ANSYS Workbench预应力钢筋模拟方法

本文采用联合HM和WB仿真,混凝土和钢筋建模采用SpaceClaim完成,混凝土网格划分采用HM完成,最后使用WB进行结构计算和后处理。
HM和WB模拟钢筋混凝土的通用流程见以前的文章:
Workbench与HM如何联合进行钢筋混凝土建模分析
整体流程如下:
一、首先在CAD中分别绘制好T型梁的断面图以及三维钢筋网,然后导入SC中,对T型梁截面进行拉伸,如下所示。

ANSYS Workbench预应力钢筋模拟方法-1

二、此处钢筋模拟采用加强筋单元进行,同时由于钢筋具有一定的弯曲度,所以考虑沿着钢筋走向对混凝土网格进行一定的加密,在具体网格划分之前,首先对几何体进行一定的切割,如下所示。

ANSYS Workbench预应力钢筋模拟方法-2

三、将几何模型文件导出为stp格式,然后导入HM中,进行网格划分,当然这一步也完全可以用WB本身的网格划分来控制,主要的原则是在有钢筋的区域尽量划分成六面体。

ANSYS Workbench预应力钢筋模拟方法-3

四、在HM中定义单位类型为Solid185,然后导出为CDB文件。
五、在WB中定义混凝土和钢绞线的材料,这里为方便计算,只考虑线性材料,当然,实际操作中,你也可以非线性材料。
六、由于此处混凝土是采用HM来划分网格,所以其实体模型不必在导入Mechanical中,选中所有混凝土,进行抑制即可。钢绞线在SC中定义为梁单元即可

ANSYS Workbench预应力钢筋模拟方法-4

七、打开Mechanical,选择梁单元,定义材料属性,选择单元类型为Reinforcement,这里单元一定要选对,否则后期无法修改。

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八、回到项目管理界面,拖入External Model,然后读取第四步到处的CDB文件,注意CDB文件的单位一定要和WB项目的单位制一致。

ANSYS Workbench预应力钢筋模拟方法-6

九、在WB项目管理界面,新建一个静力分析,然后和前面已经建立好的项目进行数据共享,如下所示。

ANSYS Workbench预应力钢筋模拟方法-7

十、进入Mechanical,对混凝土和钢筋进行材料的赋值与复核

ANSYS Workbench预应力钢筋模拟方法-8

十一、施加钢筋预应力
针对于Reinforcement,软件实际上是采用的Reinf264,查看该单元的帮助,发现其支持Initial State的输入,也即可定义初始应力。
本次初始预应力采用插入命令流的方法进行,命令为Inistate, 具体解释可参考这篇文章:
Workbench如何施加结构预应力

ANSYS Workbench预应力钢筋模拟方法-9

插入的命令流如下:
allsel,all
esel,s,ename,,264
inistate,set,-2,stre
inistate,define,all,all,,,1395
allsel,all
提示:由于本文的预应力钢筋全部需要施加预应力,所以直接选择了全部钢筋,如果你的实际模型中,只要部分钢筋需要施加预应力,则应该首先建立NS组,然后在通过cmsel进行选择施加。NS创建的时候要选择单元。
当然还可以结合先选择全部加强筋单元,然后在通过位置坐标来进行选择,总之一句话,哪根钢筋施加预应力,就把哪根钢筋选择出来。
十二、求解与结果的查看。
在具体分析之前,应首先复核预应力的施加效果,方法为结构不施加任何的外部荷载进行求解,然后查看应力云图和位移云图,通过应力值和位移的趋势来判定预应力施加是否正确。
本次模拟总体位移云图:

ANSYS Workbench预应力钢筋模拟方法-10

从位移趋势来看,本次变形符合混凝土梁施加纵向预应力后的变形趋势。
钢筋应力云图查看,由于WB并不支持加强筋单元的单独查看,钢筋云图的查看需要进入到经典中查看,如下所示:
查看命令:
esel,s,ename,,264
/eshape,1
plnsol,e,eqv

ANSYS Workbench预应力钢筋模拟方法-11

从钢筋应力云图来看,除了端部受应力集中影响外,其余部位的预应力大小均在1396Mpa附近,与初始施加的预应力相符。
通过本文案例,说明采用INISTATE和加强筋结合的方法,可用来模拟预应力钢筋混凝土,以上步骤仅供大家参考学习。
本文模型包含CAD建模图纸,Stp格式文件,HM已经划分好的CDB文件,打包好的Workbench项目文件(要用2023R1版本及以上才能打开),截图如下,付费后即可下载:

ANSYS Workbench预应力钢筋模拟方法-12

   

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