有限元分析中钢筋混凝土梁的预应力模拟.pdf

2 0 0 9年 9月 第 6卷第 3期 粟圳 土木 与建 筑 VOL 。 6 NO 3 S E P 2 0 0 9 有限元分析中钢筋混凝土梁的预应力模拟 陈宜言 林松 尧国皇 ( 深圳市市政设计研究院有限公司) I 摘要l通过A B A Q U S 件对钢筋混凝土梁的预应 力进行模拟 ，通过计算结果进行 比较分析知 ：用降温度 法和初 始应 力法施 加预应 力 时，所得 到 的预 应 力 效果相 同，相 当于先 张法 ， 而r e b a r 施加初 始应 力 法相 当 于后 张 法。 I 关键词l有限元 A B A Q U S预应力模拟 1引言 当梁的跨度或荷载较大时，其变形和裂缝宽度 可能无法满足正常使用要求，研究和工程经验表 明， 使用预应力技术能较好地解决上述 问题 ，同时还可 增加梁 的弹性工作范 围，提高承载力，充分利用材 料性能，从而降低结构高度 、减轻 白重、减小地震 作用 ，增加强度储备，延长使用期限【 1 】 ，因此预应 力钢筋混凝土梁得到广泛应用 ，本文将采用通用有 限元软件 A D A Q U S中不 同的方法对钢筋混凝土梁的 预应力进行模拟 ，并探讨不同计算结果之间的区别。 2有限元模型 对 一跨 度 为8 0 0 0 ram ，截 面 高8 0 0 ram ， 宽 4 0 0 mm的预应力钢筋混凝土简支梁进行弹性分析， 其 目的主要是探讨 A B A Q U S 中不 同预应力模拟方法 之间的区别。混凝土取为 C 3 0 ，按规范取其弹性模 量E c=3 0 x 1 0 4 N mm ；梁顶缘和底缘分别设置 四根直径为2 0 ram的二级钢筋 ，并在沿梁高方 向左 右两边各设置两根直径1 2 mm的二级钢筋，箍筋采 用直径 1 0 mm的一 级钢 筋 ，取钢筋 的弹性模量 为 E c=2 1l O S N mmz ，预应力钢筋以直线 的形式 布置在梁底缘 ，共设置 4根 ，直径为1 5 2 ram。在 梁的跨 中施加 1 2 0 0 k N的集 中荷载 ，并对预应力钢 筋施 N 6 O O MP a 的预应力， 均施加在荷载步s t e p一1 中，图 1 示处了简支梁的有限元模型。 对于混凝土采用实体单元 C 3 D 2 0 R，普通钢筋 采用桁架单元 T 3 D 2 ；边界条件为：约束梁一端的 平动 自由度，而另一端只约束竖向自由度 。 3 A B A Q U S中常用的预应力模拟方法 A B A Q U S 通用有限元软件中，常用 的有限元模 拟方法有：降温法 、 初始应力法 以及r e b a r 施加初始 应力法 【 2 】 。 ( a )降温法 陈宜言，深圳市市政设计研究院有限公司，教授级高工 地址： 深圳市笋岗西路 3 0 0 7号市政设计大厦附楼，5 1 8 0 2 9 电话 ：8 3 3 2 4 9 5 6 2 2 ( a ) 整体有 限元 ( b ) 钢筋 骨架 圈 1 有限元模塑 降温法其工作机理就是通过设置材料 的线膨 胀系数，并对索单元进行降温 ，从而达到施加预应 力的 目的，所施加的温度荷载可 以通过下式求得 ： 一 式中：丁 一施加的温度 ； 一 预应力钢绞线的弹性摸量 ； 一 材料的线膨胀系数； 一 预应力钢绞线的面积； p 一预加力的大小。 ( b)初 始应 力法 初始应力法与降温法相类似，只是形式上有所 不 同，其实质是一样的，初始应力法即在预应力钢 筋上施加初始预应力 。 ( c )r e b a r 施加初始应力法 r e b a r施加初始应力法与上述两种方法不 同， 钢筋不是 由杆单元模拟，而是通过创建一个具有钢 筋屙 l生的几何面 ，网格划分时选取几何面的单元种 类 为 s u r c e ， 然后通过关键词 I n i ti a l c o n d i ti o n s及 2 0 0 9年 9月 第 6卷第 3期 粟圳 土 木 与建筑 VOL 6 NO 3 S E P 2 0 0 9 p r e s t r e s s h o l d进行实现 。 4不同方法计算结果的比较 图 2示 出了计算结束时，不施加预应力荷载及 用上述不同方法施加预应力荷载 的竖向挠度云图， 图 3为与 图 2对应 的沿跨度方向竖 向挠度 曲线图。 从图 3可以看出，预应力的施加均使梁跨中的 挠度减小，降温法和初始应力法所得到的预加力效 果相同，而用 r e b a r 施加初始应力法所得到的有效 预应力相比与降温法和初始应力法，其预加力效果 要小。 图4 、5 分别为用上述不同方法施加预应力荷载， 在计算开始和计算结束时预应力钢筋 的应力云图。 从图S 可 以看 出，虽然施加 的预应力都是6 0 0 Mp a ， 但 在计 算 开始 时 ，用 降温法 所 得 到 的预 应 力 是 O Mp a ，而初始应力法和r e b a r 施加初始应力法所得 ( a ) 降温法 ( c ) r e b a r 施加初始应力法 到的预应力是6 0 0 Mp a ，因此这也反映出r e b a r 施加 初始应力法和初始应 力法都相当于赋予预应力钢 筋一种初始条件 。 在外荷载 的作用后 ，预应力钢筋的应力如图6 所示；比较降温法和初始应力法，从中可以看出用 降温法和初始应力法来施加预应 力所得到的预加 力效果是相同的，这也再次应证 了图3 中所得到的 结果；而预应力钢筋的应力和初始施加 的6 0 0 Mp a 相比较，发生 了变化，在跨 中处 ，预应力钢筋 的应 力增大，而在梁端处，预应力钢筋的应力减小，而 用r e b a r 施加初始应力法施加预应力， 即使在外荷载 的作用后 ，预应力钢筋 的预应力值维持不变 ，所以 前面两种方法适合用于先张法的模拟，而后面一种 方法用于模拟后张法。 图 2 竖 向挠度云图 ( b ) 初始应力法 ( d ) 不旌加应力 图 3 竖向挠度曲线圈 2 3 9年 9月第 6卷第 3 L 。 6 N0 3 S E ( a ) 降温法 ( b ) 初始应力法 ( c ) r e b a r l a y e r 法 图 4 计算开始时预应力钢筋的应力云图 季 _ ( a ) 降温法 ( b ) 初始应力法 ( C ) r e b a r 施加初始应力法 图 5 计算结束时预应力钢筋的应力云图 3 0 0 0 4 00 0 S0 0 0 6 0 00 70 0 0 80 0 0 梁轴向 mm1 图6 预应力钢筋的曲线圈 5结论 本文通过A B A Q U S 软件对钢筋混凝土梁的预应 力进行模拟，通过对所得到的预应力效果进行 比较 分析知 ：用降温度法和初始应力法施加预应力时， 所得到的预应力效果相 同，相当于先张法，而r e b a r 施加初始应力法相当于后张法。 24 参考文献 ： 1 聂建国，陶慕轩预应力钢一混凝土连续组合梁的承载力分析 J 】 土木 工程 学报 2 0 0 9 ，4 2 ( 4 ) ：3 8 4 7 2 H i b b it t ，K a r l s o n ，S o r e n s o n A B A Q U S V e r s o n 6 _7 ：t h e o r y ma n u a l ， u s e r ， ma n u a l ， v e r i f i c a t i on m a n ua l a n d e x a mpl e p r o b l e ms ma n u a 1 Hi b bi t t ， Ka r l s o n， S or e n s on I n c ， 2 0 0 7