分离模型预应力混凝土梁数值模拟.pdf
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1、2 0 1 1 年第 7期 铁道建筑 Ra i l wa y En g i ne e r i n g 1 7 文章 编号 : 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 1 ) 0 7 0 0 1 7 0 3 分离模型预应 力混凝土梁数值模拟 毛伟 , 贾金青 , 余 芳 ( 大连理工大学 海岸和 近海工程 国家 重点实验室 , 辽 宁 大连1 1 6 0 2 4 ) 摘要 : 运用 A N S Y S进行空间曲线布筋的变截面预应力混凝土梁在静 力荷载作用下的有 限元全过程分 析 , 并将计算结果与试验结果相对比。结果表 明, 数值模拟的荷载挠度 曲线与试验结果吻合较好 , 此外 计算的混
2、凝土梁顶应 变以及 中和轴位置变化也较好地符合 了预应 力混凝土梁静载过程 q - 的变化 , 说 明 该模型能较真实地反映静载下预应力混凝土梁的力学性能, 为模拟实际工程 中的预应 力混凝土梁受力 变化提供 了可靠有效的方法。 关键词 : A N S Y S 有限元预应力钢筋混凝土梁 非线性分析 中 图分 类号 : U 4 4 8 3 5 文献 标识 码 : A 预应力混凝土梁广泛地应用于桥梁结构 中, 因此 其承载能力和安全性 能也必然受 到大家 的关 注。 目 前 , 国内外许多研究人员对 预应力混凝土结构进行 了 大量的数值模拟 , 取得 了很多成果 , 但大都没有对非预 应力钢筋进行
3、建模 , 这样就无法得到非预应力筋在整 个加载过程中的应力变化。本文利用大型通用有限元 计算软件 A N S Y S 建立完整 的变截 面空间曲线 预应 力梁的有限元模型, 模拟静载全过程的力学性能, 可以 得到全部钢筋的应力情况 , 并结合静载试验对结果进 行评 价 。 1 有 限元模 型的建立 1 1单 元的选 取 A N S Y S中 S o l i d 6 5 。 单元是专为混凝土、 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 , 混凝土采用 S o l i d 6 5单元模拟。钢筋是一种单轴 刚度 材料 , 预应力钢筋与非预应力钢筋 均采用 L i n k 8单元 模拟。为
4、防止应力集中导致 出现收敛 困难 , 在支座及 加载点处添加弹性垫块 , 用 8节点实体单元 S o l i d 4 5来 模 拟 。 1 2材料 的本 构模 型和破 坏 准则 i 2 1 混 凝土 本构 关 系 混凝土材料的非线性模型采用多线性等向强化模 型( MI S O), 混凝土的本构关 系采用规范 推荐的抛 收稿 日期 : 2 0 1 0 1 1 3 0; 修 回日期 : 2 0 1 1 0 4 1 2 基金项 目: 科 技 部 “ 8 6 3 ”计 划 重 大 交 通 基 础 设 施 核 心 技 术 项 目 ( 2 0 0 7 AA 1 1 Z 1 3 3 ) 作者简介 : 毛伟
5、( 1 9 8 5 一) , 男 , 天津人 , 硕士研究生。 物线 加直线 形式 。 定义 = e , Y= , 当 1时, Y= 。 +( 3 2 a 。 ) +( 。 一 2 ) , 忽略混凝土的下降段 , 当 1 时, Y=1 , 式中, 为单轴受压应力一应变 曲线上升段 参数值 , 查表取得 为混凝土的实测单轴抗压强度; 占 为与 相应的混凝土峰值压应变 , 查表取得 ; 为 混 凝土 应变 ; 为混凝 土应 力 。 S o l i d 6 5单元 的破坏面为改进 Wi l l a m Wa r n k e 5参 数破坏曲面 ; 当围压较小时 , 失效面可以仅通过 2个参 数 , 即
6、单轴抗拉强度 和单轴抗压强 度 来确定 , 其 它 3个 参 数 采 用 Wi l l a m Wa r n k e强 度 模 型 的默 认 值 。本文所分析的梁为受 弯状态 , 可以通过输入 和 来确定混凝土的破坏面。 混凝土开裂后 , 为了考虑裂缝 对混凝土剪切刚度 的影响, A N S Y S要求输入混凝土开裂后张开裂缝 的剪 力传递系数和闭合裂缝的剪力传递系数 , 取值范围在 01 之间 , 0表示裂缝完全分开不传递剪力 , 1表示没 有剪切损失。张开裂缝 的剪力传递 系数 p 对计算结 果影响较大, 一般取 0 30 5 , 闭合裂缝 的剪力传递 系数 卢 。 , 一 般 取 0 9
7、1 0 。本 文 中 , 裂缝 张开 和 闭合 的剪力传递系数分别取为 0 5和 0 9 5 。 1 2 2 钢 筋本 构 关 系 预应力钢筋和非预应力钢筋均采用双线性随动强 化模型( B K I N) 。 非预应力钢筋采用理想 弹塑性 的应力一应变关 系 , 即 当 时 , = E 当 8 时 , = 式 中, , o r , E 为非预应力钢筋的应变 、 应力和弹性模 铁道建筑 量 ; s , , f y 为普通钢筋的应变、 应力和屈服应力。如 图 I所示 。 预应力 筋采用如 图 2所示 的应力一 应变 关系 , 并 假 定当应力达到极限强度时, 钢筋即拉断。图 2中, , 为预应力钢筋
8、的极限应变和极 限拉应力 ; 为预应力 钢筋的屈服应变; 0 7 5 o - 为预应力钢筋的屈服应力。 图 1 普通钢筋应力 图 2 预应力钢筋应力 一 应变关系 一应变关系 1 3模 型建 立 与网格 划分 利用 A N S Y S进行钢筋混凝 土结构 的有限元分析 时 , 主要有分离式 和整体式两种模型。分离式模型把 钢筋和混凝土作为不同的单元来处理 , 即混凝土采用 8节点三维非线 性实体单元 S o l i d 6 5 , 钢筋 采用 L i n k 8 杆单元 。整体式模 型也称分布式模 型或弥散钢筋模 型 , 即将钢筋连续均匀分布于整个单元 中, 它综合 了混 凝土与钢筋对 刚度
9、的贡献 , 其单元仅 为 S o l i d 6 5 , 通过 参数设定钢筋分布情况 。 本 文采 用分 离式 模型 , 由于结 构 的对称 性 , 建立一 半模型即可 。由于保护层厚度不统一 , 预应力筋为空 间曲线 , 非预应力筋布置情况也比较复杂 , 很难做到钢 筋单元与混凝土单元共用节点 , 因此分别建立实体 和 力筋的几何模型 , 运用 C E I N T F命令 自动选择混凝 土 单元 的数个节点 ( 在容差 T O L E R范围内) 与力筋的一 个节点建立约束方程。通过多组约束方程 , 将力筋单 元和混凝土单元连为整体。与节点耦合法相比, 该法 对混凝土网格密度要求不高 , 也
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