ANSYS在土建結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用分析

摘 要：本文詳細(xì)介紹了ANSYS軟件在預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，并通過與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，論證了ANSYS軟件可以替代具體實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能分析。

關(guān)鍵詞：有限元；ANSYS；預(yù)應(yīng)力；無粘結(jié)

中圖分類號(hào)：TU311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-3362（2013）10-0213-01

前言

長期以來鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法是用線彈性理論來研究的應(yīng)力或內(nèi)力，顯然，這是不太合理的，特別是混凝土，成分復(fù)雜，表現(xiàn)出明顯的非線性行為。而我們知道并非所有的結(jié)構(gòu)都能通過試驗(yàn)來取得數(shù)據(jù)的，所以有限元分析軟件便在研究中顯示出了優(yōu)越性。ANSYS是當(dāng)今國際主流的有限元分析工具，本文詳細(xì)介紹了ANSYS在土建結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 試件

梁的截面為矩形，尺寸為200mm×400mm，跨長3000mm，折線布筋形式，鋼管抽芯成孔?；炷翉?qiáng)度為C40。

1.2 主要測試內(nèi)容

為了了解預(yù)制預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁的內(nèi)力重分布，主要測量支座反力，支座位移和跨中撓度、混凝土的應(yīng)變變化、截面曲率變化等。采用逐級(jí)加載。

2 ANSYS有限元模型的具體建模過程

2.1 單元類型的定義及實(shí)常數(shù)定義

SOLID65單元模擬混凝土，LINK8單元模仿預(yù)應(yīng)力筋，SOLID65單元中的自定義配筋模擬普通鋼筋，COMBIN39非線性彈簧單元模擬鋼筋和混凝土之間的滑移。接觸單元模擬支座端面與梁端面接縫關(guān)系，面與面接觸形式，Conta174為接觸面單元，Targe170為目標(biāo)單元。

2.2 本模型所采用的本構(gòu)關(guān)系

混凝土的本構(gòu)關(guān)系為單軸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。預(yù)應(yīng)力鋼筋本構(gòu)模型采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化（BKIN），其包括彈性斜率和塑性斜率。

2.3 混凝土建模

混凝土模型采用了自上而下和自下而上兩種建模方式相結(jié)合的辦法來進(jìn)行創(chuàng)建。

2.4 普通鋼筋和無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋的建模

為方便建模和計(jì)算，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋采用單獨(dú)實(shí)體建模，用SOLID65自帶的自定義配筋方式為普通鋼筋和箍筋進(jìn)行彌散式配筋。

2.5 混凝土與預(yù)應(yīng)力鋼筋間關(guān)系的建立

混凝土和預(yù)應(yīng)力鋼筋之間關(guān)系采用雙彈簧單元來模擬，把預(yù)應(yīng)力鋼筋節(jié)點(diǎn)和與對(duì)應(yīng)的最近的混凝土節(jié)點(diǎn)連接起來，分別設(shè)置成切向和法向的彈簧即雙彈簧，耦合另一方向節(jié)點(diǎn)自由度。

2.6 裝配式梁拼縫處的建模

梁拼縫處單元選用接觸單元。因?yàn)榱憾撕椭兄ё茄b配在一起的，所以梁端與中支座端面和底面是接觸關(guān)系，取受力變形的梁端面和底面為接觸面，取中支座端面和底面為目標(biāo)面，經(jīng)過不斷試算，庫侖摩擦系數(shù)取0.3～0.5，滲透系數(shù)取0.4～0.5，模擬結(jié)果是比較理想的。

2.7 邊界條件的處理

本模型中采用了一端固定支座，一端為滑移的鉸支座。

2.8 加載

2.8.1 施加鋼筋預(yù)應(yīng)力

預(yù)應(yīng)力是采用降溫法來實(shí)現(xiàn)，給定一個(gè)溫降值，讓鋼筋單元產(chǎn)生一個(gè)收縮變形，使鋼筋產(chǎn)生預(yù)拉作用，從而施加了鋼筋預(yù)應(yīng)力。

2.8.2 外載

外荷載采用比例加載的方式。

2.8.3 求解

計(jì)算采用相對(duì)容易收斂的方式，即混凝土考慮開裂，不考慮壓碎，因?yàn)槭菢O限計(jì)算，所以使用CONCR+MISO且關(guān)閉壓是碎檢查。采用殘余力的2-范數(shù)控制收斂準(zhǔn)則，進(jìn)行力的加載，以保證連續(xù)性的計(jì)算。

2.9 進(jìn)入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)后處理器：

在此查看模型變形圖、應(yīng)力云圖、應(yīng)變云圖等。

2.10 進(jìn)入時(shí)程數(shù)據(jù)后處理器

查看廣義力與廣義位移隨時(shí)間的變化。

3 ANSYS結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)與ANSYS輸出數(shù)據(jù)比較，可以看出撓度曲線與試驗(yàn)曲線、裂縫走向圖、圖邊支座反力、中支座反力、跨中彎矩、中支座彎矩、跨中撓度比較吻合，相應(yīng)的開裂荷載、屈服荷載、極限荷載，誤差均不超過8%，說明了ANSYS所建模型的結(jié)果是比較可靠的。

4 結(jié)語

如果單元選用正確，參數(shù)設(shè)置合理，ANSYS可以達(dá)到與實(shí)驗(yàn)非常接近的結(jié)果，這樣就可以取代一部分實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行大量反復(fù)的模擬分析，節(jié)約成本和人力。通過與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，可以驗(yàn)證ANSYS軟件是可以用于無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土有限元分析的。本文結(jié)合試驗(yàn)給出了無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁的有限元建模方法，對(duì)于接縫的建模給出了闡述，今后在無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，此方面可值得進(jìn)一步的研究和探討。ANSYS具有強(qiáng)大的后處理功能，給出結(jié)果形式多樣、直觀、實(shí)用，一目了然，比有限的實(shí)驗(yàn)?zāi)墚a(chǎn)生更多的可用于分析的數(shù)據(jù)。以往都是通過線彈性理論來研究鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力或內(nèi)力，這是不合理的，而ANSYS有限元軟件可以更接近于實(shí)際的去進(jìn)行模擬。由于ANSYS軟件的參數(shù)主要是靠試驗(yàn)或公式來獲得，因此必須要有大量的試驗(yàn)結(jié)果做依托進(jìn)而提煉出準(zhǔn)確的參數(shù)才能使有限元軟件更接近于實(shí)際，另外ANSYS在精度和效率上也需要不斷的改進(jìn)與完善。

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作者簡介：安兆靜（1977-），女，碩士研究生，遼寧電力勘測設(shè)計(jì)院。