有限元加筋实体单元求解预应力混凝土梁自振频率方法.pdf

2 0 1 2年第 2期 ( 总 1 8 3期 ) 安徽建筑 计 算 机 技 术 与 应 用 安 徽 建 筑 团 查 旦 体单元求解预应力混凝土梁自振频率方法 Wa y s t o S o l v i n g Na t u r a l Vi b r a t i o n F r e q u e n c e o f Pr e s t r e s s e d Co n c r e t e B e a m b y AB AQUS 蒋 超 ( 黄山 市 黄 山 区 建 设 工 程 质 量 监 督 站， 安 徽 黄山 2 4 2 7 0 0 ) 摘 要 ： 使用 A B A QU S 软件创建三维实体加筋混凝土梁有限元模 型 ， 对预应 力荷 载作 用下混凝 土梁进行模 态分析。在与试验数值进行 比对中， 得出了有益的结论 ， 为3 - 程计算及动态参数检测与分析提供 参考依据。 关键词 ： A B A Q us ； 预应力； 自 振频率 中图分类号 ： T U 1 7 文献标识码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 7 7 3 5 9 ( 2 0 1 2 ) 0 2 0 2 0 4 0 2 1 概述 在预应力混凝土梁中， 钢筋混凝土梁被施加了一个沿轴向 的预应力，受轴力的梁弯曲振动频率会受到轴力大小的影响。 长期以来人们就利用频率的变化实现对结构的健康检测。 在损 伤检测的研究中， 基于振动测试的方法也已成功的用于检测结 构的损伤。预应力的损失改变了结构的动力性能： 结构的刚度 变化能通过检测结构的振动特性的变化来评估。 然而从数据上 看 ， 并没有成功的确定预应力损失与莫泰参数变化之间的相互 关 系方法 。 华中科技大学张长跑通过试验研究了在不同预应力状态 下预应力梁的自振频率变化，本文依据其论文中相关模型数 据，使用 A B A Q U S有限元软件建立三维实体加筋模型进行模 态分析。 模型中普通钢筋及预应力钢筋使用线型模型桁架单元 模拟， 通过软件提供的e m b e d d e d r e g i o n方法与混凝土单元无滑 动连接， 实现应变协调。 2 模型介绍 试验共设计了5根预应力混凝土简支梁 ， 其中2根为无粘 结预应力混凝土梁， 另外 3 根为有粘结预应力混凝土梁， 均为 矩形截面。梁的截面尺寸为 1 2 0 m m X 2 4 0 mm。混凝土强度为 C 4 0 ， 主筋、 箍筋、 架立筋为 I 级钢筋。 试验梁的非预应力钢筋的 布置为： 上部 2 8 ， 下部 2 1 2 ， 预应力筋直径为 1 5 2 mm的 7 股 1 8 6 0级钢铰线， 其截面积为 1 3 9 mm 。箍筋采用 6 1 5 0进 行配置， 混凝土采用 C 4 0 ， 试件实际长度 1 =3 9 0 0 m m， 计算长度 1 ：3 7 0 0 m m。预应力筋张拉力为 1 2 0 k N 。 2 1 材料参数设置 模型中相关材料 参数为 ：混凝土模型材料参数 ： p= 2 5 4 9 k m 3 , E = 3 2 5 61 0 4 MP a 、 1 ， = 0 2 。预应力钢筋材料参数 ： D =7 8 0 0 k m 、 E = I 9 5 X 1 0 M P a 、 v= 0 2 、 x l = l 1 0 。 普通钢筋材 料参数： P= 7 8 0 0 k # m 、 v= 0 2 、 E = 2 0 6 X 1 0 MP a 。钢筋截面等其 它参数依据相应规范选取。 2 -2模型创建 在 A B A Q U S软件环境中分别创建混凝土实体， 钢筋、 预应 力钢筋分别用线表示创建， 在接触模块中使用 e m b e d d e d r e g i o n 实体钢筋与混凝土的连接。加筋模型如图 1 所示。 收稿 日期 ： 2 0 1 1 1 2 1 6 作者简介 ： 蒋超( 1 9 7 3 一) ， 男， 安徽黄 山人 ， 毕业 于安徽 建筑工业 学院 工 程 师 。 A B AQU S数值解与试验值 表 1 无粘结预应力梁 自振频 率 表 2 有粘 结预应 力梁 自振频率 表 3 模 型计算结果与试验值对比 表 4 2 3预应力模拟 模型通过对预应力钢筋降温实现预应力设置。 依据张拉应 力反算降温为 4 4 3 ， 由于预应力梁上挠及混凝土收缩导致预 虽 安徽建筑 2 0 1 2年第 2期( 总 1 8 3期 ) 图 1 预应力梁加筋 实体模型 图 2 预应力作用下钢筋变形图 图 3 预应力作用下梁位移图 第一 阶模态( 水平 ) 第二阶模态( 竖向 ) 第三阶模态 ( 水平 ) 第四阶模态( 竖 向) 图 4 预应 力荷载作用下一阶阵型 应力损失 ， 可通过修改温度使最终预应力钢束应力为 8 6 6 MP a ， 接近试验值 8 6 3 MP a ， 如图 2所示。模型在预应力荷载作用下 起拱如图 3所示，其数值与实际模型上拱数值对比见表 l 所 示 。 3 试验与模型分析结果对比 3 1试验结论 无粘结预应力混凝土梁随预应力张拉数值的增加， 竖向第 一 、二阶自振频率变化如表 2 所示。 有粘结预应力混凝土梁随预应力值的增加 ， 第一 、 二阶自 振频率的变化见表 3 。 由表 2 、 3可知 ， 预应力梁随预应力荷载的增加 ， 其一二阶 自振平率略有上升， 增幅最大仅为 5 。 3 2 A B A QUS模型分析与试验数值 利用 A B A Q U S有限元软件分析得到有粘结预应力梁在预 应力荷载作用下前四阶模态， 如图 4所示。通过与试验对比中 所测第一阶模态实际为该梁第二阶模态， 第三阶模态为实际振 动中第四阶模态。 由于试验者在试验设计中仅在布置了竖向拾振器， 忽略了 水平方向振动。丢失了第一、 三阶水平方向的振动模态。 在 A B A Q U S模型中对混凝土采用 了0 1 m 0 0 2 m不同尺 寸的六面体 2 0节点单元进行划分求解。并分别计算了在预应 力荷载作用下和无预应力荷载作用下模型的自振频率， 最终结 果及文献 3 】 中部分结果统计于表 4 。 3 3 AB A QU S模 型与试验模型对比 依据表 4数据可以得知以下结论： 在 A N S Y S 、 A B A Q U S模型中预应力荷载 的大小对模态 分析中自振频率结果不产生影响， 这一特征也是有限元就算方 法所局 限的； 模型网格划分精度对自振频率计算结果影响较明显； A B A Q U S实体加筋模型对自振频率求解较为准确。 4 结论 笔者基于 A B A Q U S软件建立混凝土实体模型级钢筋线型 模型， 通过降温方法实现预应力， 模拟预应力钢筋混凝土结构。 分析表明此类模型在 自振频率求解过程中不仅建模方便而且 结果准确， 适合工程实践， 但模型无法实现对预应力大小对 自 振频率的影响的分析与模拟。 参考文献 1 1 邓炎， 严普强桥梁结构损伤的振动模态检测fJ 1 振动、 测试与诊断， 1 9 9 9 ( 9 ) 2 】 沈柏 臣 模态分析在桥梁检定试验 中的应用 J 1 铁道建筑， 2 0 o 2 ( 9 ) 3 张 长跑 预应 力混凝 土简支 梁 自振 频率 的理论与试 验研究 【 D 】 武 汉： 华 中科技大学， 2 0 o 5 4 王家林 非节点 连接有 限元 理论及其 软件实现【 D 】 重庆 ： 重庆大学 土木工程学院， 2 0 0 8 【 5 】 李平， 王家林 预应力钢筋混凝土构件有限元模拟方法对t L J 重庆 交通大学学报( 自然科学版) ， 2 o l o ( 1 ) 【 6 】 王家林， 李平A B A Q U S 箱型桥梁的 G U I 二次开发 J 】 重庆交通大学 学报( 自然科学版) ， 2 0 0 9 ( 6 ) 7 】 李平 桥 梁精细有 限元计 算【 D 重 庆： 重庆交通大学 土木建筑学 院， 2 0 0 9 8 】 王勖成 有限单元法 M 北京： 清华 大学 出版社， 2 0 o 6 一 l II I 计 算 机 技 术 与 应 用 安 徽 建 筑 I 一础蠕黜甜甜翠薹 一 罩荨船 辜寻吕；搿龆 黔戤 髓 器一 疆 嚣 一 一 羼 翅 嘲 _ 麓 露 匿 t 鏖 匿 I