预应力钢筋混凝土局部有限元分析的ANSYS二次开发

1、收稿日期:2005-01-26. 作者简介:刘艳萍(1982-,女,硕士研究生;武汉,华中科技大学土木工程与力学学院(430074.预应力钢筋混凝土局部有限元分析的ANSYS 二次开发刘艳萍1杨新华1杨文兵1(1.华中科技大学土木工程与力学学院,湖北武汉430074摘要:在有限元分析软件A N SYS 平台上,利用AN SY S 的二次开发工具、A ccess 数据库、V isual C+以及V isual F or tr an ,在实体力筋法的基础上,开发了一个桥梁结构钢筋混凝土局部应力分析的模块.该模块能实现参数建立钢筋模型、自动计算预应力损失等功能,在满足工程精度要求下可以大大提高设计计

2、算的效率.关键词:预应力钢筋混凝土;A N SYS 二次开发;V isual C+中图分类号:T U 378文献标识码:A 文章编号:1672-7037(2005增-0087-041基本方法根据JTJ 023-85公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(简称公规2,钢筋预应力可以根据如下公式计算= k - s 1- s 2- s 5,(1式中, k 为给定初始张拉应力; s 1为由预应力钢筋与管道之间的摩擦引起的应力损失; s 2为由锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩引起的应力损失; s 5为由钢筋松弛引起的应力损失的终级值.结合Fo rtran 及ANSYS 提供的APDL 语言,编写程序,实现

3、预应力的计算.计算得到有效控制应力后,再根据以下公式将其转换成温度载荷,加入钢筋模型中,用以模拟预应力效果.T =P /(E A ,(2式中,P 为有效控制力;E 为钢筋的弹性模量;A 为钢筋的横截面积; 为钢筋线膨胀系数.2基于ANSYS 的模块实现图1局部分析模块主菜单VC 界面能实现深层的菜单嵌套,并对外部程序做出积极信息响应.利用U PFs 可将VC 界面集成显示到ANSYS 中.首先使用Visual C +和Visual Fortran 混合编程得到一个动态链接库文件,然后使用UPFs 将其加入到ANSYS 的共享库文件中;调用时,在ANSYS 的界面中显示为浮动工具栏(图1.模块运

4、行过程中,涉及到的数据操作量很大,结合Access 数据库技术,利用ADO C+接口,可以第22卷增刊2005年5月华中科技大学学报(城市科学版 图2定义预应力钢筋信息界面实现用户对数据的定义和修改.图2为预应力钢筋信息定义界面,用户输入的各数据分别以赋值字符串形式写入文件.通过UPFs,调用ANSYS 命令读入该文件,最终完成各数据在ANSYS 中的定义.2.2初始化数据库和建模分析模块启动后,程序在后台建立局部分析数据库.其中包括钢筋材料表、预应力损失参数表、预应力钢筋形状数据表以及预应力钢筋信息表等.钢筋材料表存储钢筋材料参数,预应力损失表定义不同预应力损失类型的损失参数;预应力钢筋形状

5、数据表存储不同形状钢筋的导线点坐标及弯曲半径等;预应力钢筋信息表存储钢筋形状编号、偏移位置、材料编号、预应力损失类型编号、初始张拉应力和张拉类型等信息.用户通过图形界面或导入数据文件,添加数据到数据库中.为了说明数据库内表的格式,以钢筋材料表为例.钢筋材料表保存着钢筋的各项材料属性,以材料编号为索引,依次存放弹性模量、泊松比、横截面积、初始应变和线膨胀系数等数据.用户通过材料编号可查询得到各参数.在建立模型时,调出钢筋形状数据表以及预应力钢筋信息数据表,通过接口,将数据定义到ANSYS 的程序中.调用用户宏文件,在混凝土的实体模型中建立钢筋实体模型,同时保留钢筋在有限元模型中的线编号.在创建线

6、的时候,需要进行大量的线删除、线添加以及布尔运算.使用NUM CM P 命令对模型中点、线、面和体的编号进行压缩,以避免编号不连续.最后通过RET URN 命令得到创建的线编号.程序提供组件功能,根据钢筋类型定义相应子集合.在模型复杂、钢筋数目大的情况下,可以 直接通过“子集合操作”(图1菜单选取需要进行计算预应力时将钢筋离散成许多单元进行计算.根据预应力钢筋形状数据表计算得到对应单元的长度和包角,结合预应力钢筋信息数据表提供的钢筋初始张拉力和张拉方式,以及预应力损失表提供的损失参数,计算各钢筋单元的有效控制应力.调用加载宏程序,得到对应的温度载荷,加入到钢筋单元中.2.4联结处理将钢筋和混凝

7、土之间的联结视为理想联结,在混凝土节点和钢筋节点间建立耦合边界条件.使用ANSYS 内部函数nnear 查找混凝土节点.为减小混凝土节点与力筋节点间的位置偏差,避免混凝土节点重复使用,定义ANSYS 子集合,对节点作优化筛选,以获得位置最佳的混凝土节点.图3截面钢筋位置3实例一跨度50m 的两端简支预应力钢筋混凝土梁,宽2m ,高1m ,沿宽度方向每隔0.2m 布置一根直线钢筋,共17根(图3.混凝土材料参数为:E = 3.51010Pa,v =0.167;预应力钢筋材料参数为:E =1.9111011Pa ,v =0.33, =1.010-5;钢筋截面积为0.00266m 2;初始张拉力10

8、6N.预应力损失参数: =0.25,K =0.0015, l =0.006,M =0.0451.88华中科技大学学报(城市科学版2005年输入如图2所示的钢筋信息,建立计算模型(图4,包括单元9140个,节点10761个.其中,钢筋340个单元,357个节点,需要建立1071个耦合约束.混凝土10404个节点,需要找出1071个节点进行耦合.另外,由于钢筋各单元的有效控制应力不完全相同,需逐个进行单元预应力计算和加载.完成这些操作,手工处理较多,耗费大量的时间和精力.但是使用作者的方法,通过用户菜单和用户宏文件,可以方便、准确地完成上述操作,提高工作效率,减少手工操作的人为误差 .(a 混凝土

9、实体模型(b 钢筋实体模型图4有限元计算模型表1中实体模型的结果通过静力等效求得.对比两模型结果可见,两者相差不超过5%,完全能够满足工程计算的精度要求.图5的对比显示,两者变化趋势一致,都在梁跨中位置达到最大值.0.38-Y 向位移/m0.14160.13930. 984 图5梁模型与实体模型Y 向位移对比根据梁理论,截面应力沿Y 向线性变化,沿Z 向处处相等.但是,由于钢筋的影响,分布已不可能完全符合上述规律.图6给出了实体模型中X =5处的截面内轴向应力 x 沿Z 向的变化情况,可以看到其值并不是处处相等;图7给出了 x 沿Y 向的变化情况.可以发现,在Y 等于-0.4至0区域内,钢筋的

10、影响较弱,应力近似呈线性变化,在Y 等于-1.0至-0.4区域内, x 呈折线变化.因为在该区域内,混凝土梁内配置了17根预应力钢筋,钢筋对截面内力的分布产生了影响.可见,与梁模型相比,实体模型的结果可以更真实、准确地反映预应力钢筋混凝土结构的局部受力情况.图6实体模型轴向应力 x 随Z 向变化图7实体模型轴向应力 x 随Y 向变化基于实体力筋法,利用A NSYS 二次开发工具、Access 数据库技术、Visual C +以及Visual Fo rtran ,开发了一个预应力钢筋混凝土局部应力计算分析的模块.算例分析的结果表明,该模块可以满足计算的精度要求,并能大大提高桥梁结构有限元计算的效

11、率,具有一定的工程实用价值.参考文献1肖汝诚.桥梁结构分析及程序系统M .北京:人民交通出版社,2002.2JT J 023-85,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范S .89增刊刘艳萍等:预应力钢筋混凝土局部有限元分析的A NSY S 二次开发ANSYS Secondary Development for the Finite Element Analysis ofPre -stressed Reinforced Concrete StructuresL I U Yan -p ing 1YA N G X in -hua 1YA N G W en -bing1(1.Schoo l o f

12、 Civil Eng.&Mechanics,HU ST ,Wuhan 430074,ChinaAbstract :Based o n the solid model,a module to analyze pre-stressed reinforced concr ete structures of bridge is developed by using the user-pr ogram ming toolkits of ANSYS,Access,Visual C +and Visual Fo rtr an .With this module the pre -stressed reinf

13、orcement can be param etrically constructed ,and the pre-stress lo ss can be calculated autom atically.T he effectiv eness of the m odule is show n by an example.Key words :pre -stressed reinforced concrete ;ANSYS secondary development ;VC +(上接第86页 图85号和14号预应力筋轴力变化包含分批张拉和徐变的影响,结果将更接近工程实际.以上分析表明,采用梁杆

14、组合结构方法模拟预应力钢筋混凝土梁是可行的,这一方法不仅考虑了钢筋对混凝土截面特性的影响,而且使预应力效应可以动态响应结构变化,因此能有效提高计算精度,从而可以实现全桥结构计算仿真.值得指出的是,该方法不能反映预应力筋引起的应力分布不均匀现象.参考文献1肖汝诚.桥梁结构分析及程序系统M .北京:人民交通出版社,2002.2戴显荣,蔡若虹.利用A N SY S 模拟分析预应力混凝土J.浙江交通科技,2004,(2:22-24.3毕桂平,魏红一,范立础.A N SY S 在桥梁工程中的应用前景A .中国土木工程学会桥梁及结构工程学会第十四届年会论文集C.上海:同济大学出版社,2000.4JT J

15、023-85,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范S .Combined Structure Method in FEM for the Analysis of Prestressed BeamL I Qing -sen 1YA N G W en -bing 1YA N G X in -hua1(1.School of Civil Eng.&Mechanics,HU ST ,Wuhan 430074,ChinaAbstract :A new method based on the Beam-bar combined structur e is presented to mo del the pr estressed concrete beam.This m ethod is embedded in ANSYS software by employ ing the seco ndary development technique o f ANSYS