預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土局部有限元分析的ANSYS二次開發(fā)

1、收稿日期:2005-01-26. 作者簡介:劉艷萍(1982-,女,碩士研究生;武漢,華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院(430074.預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土局部有限元分析的ANSYS 二次開發(fā)劉艷萍1楊新華1楊文兵1(1.華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院,湖北武漢430074摘要:在有限元分析軟件A N SYS 平臺上,利用AN SY S 的二次開發(fā)工具、A ccess 數(shù)據(jù)庫、V isual C+以及V isual F or tr an ,在實(shí)體力筋法的基礎(chǔ)上,開發(fā)了一個橋梁結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土局部應(yīng)力分析的模塊.該模塊能實(shí)現(xiàn)參數(shù)建立鋼筋模型、自動計算預(yù)應(yīng)力損失等功能,在滿足工程精度要求下可以大大提高設(shè)計計

2、算的效率.關(guān)鍵詞:預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土;A N SYS 二次開發(fā);V isual C+中圖分類號:T U 378文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1672-7037(2005增-0087-041基本方法實(shí)體力筋法是使用實(shí)體模型模擬預(yù)應(yīng)力鋼筋的一種方法.在橋梁結(jié)構(gòu)計算中,采用該方法需要解決以下問題:橋梁結(jié)構(gòu)中涉及的鋼筋數(shù)目多,線型復(fù)雜,分布比較集中,手動建立實(shí)體模型難度很大;鋼筋線型復(fù)雜,數(shù)目多,對應(yīng)預(yù)應(yīng)力損失的計算、模擬也復(fù)雜,期望通過程序?qū)崿F(xiàn)自動計算.1.1參數(shù)化建模對于各線型的鋼筋,采用導(dǎo)線法1定義.在鋼筋形狀數(shù)據(jù)表中記錄各線型對應(yīng)的多個節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)以及曲線半徑等數(shù)據(jù),同時建立各鋼筋線信息庫,存儲模型中鋼

3、筋線的具體位置,以及其它一些相關(guān)參數(shù).建模時,調(diào)用這兩個庫,可直接建立不同形狀和不同位置的鋼筋線.1.2鋼筋模擬預(yù)應(yīng)力效果分析根據(jù)JTJ 023-85公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范(簡稱公規(guī)2,鋼筋預(yù)應(yīng)力可以根據(jù)如下公式計算= k - s 1- s 2- s 5,(1式中, k 為給定初始張拉應(yīng)力; s 1為由預(yù)應(yīng)力鋼筋與管道之間的摩擦引起的應(yīng)力損失; s 2為由錨具變形、鋼筋回縮和接縫壓縮引起的應(yīng)力損失; s 5為由鋼筋松弛引起的應(yīng)力損失的終級值.結(jié)合Fo rtran 及ANSYS 提供的APDL 語言,編寫程序,實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力的計算.計算得到有效控制應(yīng)力后,再根據(jù)以下公式將其轉(zhuǎn)換成溫

4、度載荷,加入鋼筋模型中,用以模擬預(yù)應(yīng)力效果.T =P /(E A ,(2式中,P 為有效控制力;E 為鋼筋的彈性模量;A 為鋼筋的橫截面積; 為鋼筋線膨脹系數(shù).2基于ANSYS 的模塊實(shí)現(xiàn)ANSYS 軟件具有良好的開放性,提供有UIDL,APDL 和U PFs 等二次開發(fā)工具.本模塊在Visual C+平臺上開發(fā)用戶界面,通過U PFs 建立V C 界面與ANSYS 程序的連接,最后在ANSYS 程序中調(diào)用APDL 宏文件實(shí)現(xiàn)程序主體功能,其中主要包括參數(shù)化建模、鋼筋預(yù)應(yīng)力計算及聯(lián)結(jié)處理等子模塊.2.1用戶圖形界面圖1局部分析模塊主菜單VC 界面能實(shí)現(xiàn)深層的菜單嵌套,并對外部程序做出積極信息響

5、應(yīng).利用U PFs 可將VC 界面集成顯示到ANSYS 中.首先使用Visual C +和Visual Fortran 混合編程得到一個動態(tài)鏈接庫文件,然后使用UPFs 將其加入到ANSYS 的共享庫文件中;調(diào)用時,在ANSYS 的界面中顯示為浮動工具欄(圖1.模塊運(yùn)行過程中,涉及到的數(shù)據(jù)操作量很大,結(jié)合Access 數(shù)據(jù)庫技術(shù),利用ADO C+接口,可以第22卷增刊2005年5月華中科技大學(xué)學(xué)報(城市科學(xué)版J.of HU ST .(U rban Science EditionVo l.22Sup.M ay.2005 圖2定義預(yù)應(yīng)力鋼筋信息界面實(shí)現(xiàn)用戶對數(shù)據(jù)的定義和修改.圖2為預(yù)應(yīng)力鋼筋信息定

6、義界面,用戶輸入的各數(shù)據(jù)分別以賦值字符串形式寫入文件.通過UPFs,調(diào)用ANSYS 命令讀入該文件,最終完成各數(shù)據(jù)在ANSYS 中的定義.2.2初始化數(shù)據(jù)庫和建模分析模塊啟動后,程序在后臺建立局部分析數(shù)據(jù)庫.其中包括鋼筋材料表、預(yù)應(yīng)力損失參數(shù)表、預(yù)應(yīng)力鋼筋形狀數(shù)據(jù)表以及預(yù)應(yīng)力鋼筋信息表等.鋼筋材料表存儲鋼筋材料參數(shù),預(yù)應(yīng)力損失表定義不同預(yù)應(yīng)力損失類型的損失參數(shù);預(yù)應(yīng)力鋼筋形狀數(shù)據(jù)表存儲不同形狀鋼筋的導(dǎo)線點(diǎn)坐標(biāo)及彎曲半徑等;預(yù)應(yīng)力鋼筋信息表存儲鋼筋形狀編號、偏移位置、材料編號、預(yù)應(yīng)力損失類型編號、初始張拉應(yīng)力和張拉類型等信息.用戶通過圖形界面或?qū)霐?shù)據(jù)文件,添加數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫中.為了說明數(shù)據(jù)庫內(nèi)表

7、的格式,以鋼筋材料表為例.鋼筋材料表保存著鋼筋的各項材料屬性,以材料編號為索引,依次存放彈性模量、泊松比、橫截面積、初始應(yīng)變和線膨脹系數(shù)等數(shù)據(jù).用戶通過材料編號可查詢得到各參數(shù).在建立模型時,調(diào)出鋼筋形狀數(shù)據(jù)表以及預(yù)應(yīng)力鋼筋信息數(shù)據(jù)表,通過接口,將數(shù)據(jù)定義到ANSYS 的程序中.調(diào)用用戶宏文件,在混凝土的實(shí)體模型中建立鋼筋實(shí)體模型,同時保留鋼筋在有限元模型中的線編號.在創(chuàng)建線的時候,需要進(jìn)行大量的線刪除、線添加以及布爾運(yùn)算.使用NUM CM P 命令對模型中點(diǎn)、線、面和體的編號進(jìn)行壓縮,以避免編號不連續(xù).最后通過RET URN 命令得到創(chuàng)建的線編號.程序提供組件功能,根據(jù)鋼筋類型定義相應(yīng)子集合

8、.在模型復(fù)雜、鋼筋數(shù)目大的情況下,可以 直接通過“子集合操作”(圖1菜單選取需要進(jìn)行分析的對象,以便于操作和分析.2.3鋼筋預(yù)應(yīng)力計算與模擬計算預(yù)應(yīng)力時將鋼筋離散成許多單元進(jìn)行計算.根據(jù)預(yù)應(yīng)力鋼筋形狀數(shù)據(jù)表計算得到對應(yīng)單元的長度和包角,結(jié)合預(yù)應(yīng)力鋼筋信息數(shù)據(jù)表提供的鋼筋初始張拉力和張拉方式,以及預(yù)應(yīng)力損失表提供的損失參數(shù),計算各鋼筋單元的有效控制應(yīng)力.調(diào)用加載宏程序,得到對應(yīng)的溫度載荷,加入到鋼筋單元中.2.4聯(lián)結(jié)處理將鋼筋和混凝土之間的聯(lián)結(jié)視為理想聯(lián)結(jié),在混凝土節(jié)點(diǎn)和鋼筋節(jié)點(diǎn)間建立耦合邊界條件.使用ANSYS 內(nèi)部函數(shù)nnear 查找混凝土節(jié)點(diǎn).為減小混凝土節(jié)點(diǎn)與力筋節(jié)點(diǎn)間的位置偏差,避免混

9、凝土節(jié)點(diǎn)重復(fù)使用,定義ANSYS 子集合,對節(jié)點(diǎn)作優(yōu)化篩選,以獲得位置最佳的混凝土節(jié)點(diǎn).圖3截面鋼筋位置3實(shí)例一跨度50m 的兩端簡支預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁,寬2m ,高1m ,沿寬度方向每隔0.2m 布置一根直線鋼筋,共17根(圖3.混凝土材料參數(shù)為:E = 3.51010Pa,v =0.167;預(yù)應(yīng)力鋼筋材料參數(shù)為:E =1.9111011Pa ,v =0.33, =1.010-5;鋼筋截面積為0.00266m 2;初始張拉力106N.預(yù)應(yīng)力損失參數(shù): =0.25,K =0.0015, l =0.006,M =0.0451.88華中科技大學(xué)學(xué)報(城市科學(xué)版2005年輸入如圖2所示的鋼筋信息,建

10、立計算模型(圖4,包括單元9140個,節(jié)點(diǎn)10761個.其中,鋼筋340個單元,357個節(jié)點(diǎn),需要建立1071個耦合約束.混凝土10404個節(jié)點(diǎn),需要找出1071個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行耦合.另外,由于鋼筋各單元的有效控制應(yīng)力不完全相同,需逐個進(jìn)行單元預(yù)應(yīng)力計算和加載.完成這些操作,手工處理較多,耗費(fèi)大量的時間和精力.但是使用作者的方法,通過用戶菜單和用戶宏文件,可以方便、準(zhǔn)確地完成上述操作,提高工作效率,減少手工操作的人為誤差 .(a 混凝土實(shí)體模型(b 鋼筋實(shí)體模型圖4有限元計算模型表1中實(shí)體模型的結(jié)果通過靜力等效求得.對比兩模型結(jié)果可見,兩者相差不超過5%,完全能夠滿足工程計算的精度要求.圖5的對比顯

11、示,兩者變化趨勢一致,都在梁跨中位置達(dá)到最大值.表1梁模型與實(shí)體模型跨中結(jié)果對比跨中結(jié)果(X =25梁模型實(shí)體模型對比軸力(106N -11.764-11.886 1.010彎矩106N m 2.6767 2.67670.998剪力/N 00.38-Y 向位移/m0.14160.13930. 984 圖5梁模型與實(shí)體模型Y 向位移對比根據(jù)梁理論,截面應(yīng)力沿Y 向線性變化,沿Z 向處處相等.但是,由于鋼筋的影響,分布已不可能完全符合上述規(guī)律.圖6給出了實(shí)體模型中X =5處的截面內(nèi)軸向應(yīng)力 x 沿Z 向的變化情況,可以看到其值并不是處處相等;圖7給出了 x 沿Y 向的變化情況.可以發(fā)現(xiàn),在Y 等于

12、-0.4至0區(qū)域內(nèi),鋼筋的影響較弱,應(yīng)力近似呈線性變化,在Y 等于-1.0至-0.4區(qū)域內(nèi), x 呈折線變化.因?yàn)樵谠搮^(qū)域內(nèi),混凝土梁內(nèi)配置了17根預(yù)應(yīng)力鋼筋,鋼筋對截面內(nèi)力的分布產(chǎn)生了影響.可見,與梁模型相比,實(shí)體模型的結(jié)果可以更真實(shí)、準(zhǔn)確地反映預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的局部受力情況.圖6實(shí)體模型軸向應(yīng)力 x 隨Z 向變化圖7實(shí)體模型軸向應(yīng)力 x 隨Y 向變化基于實(shí)體力筋法,利用A NSYS 二次開發(fā)工具、Access 數(shù)據(jù)庫技術(shù)、Visual C +以及Visual Fo rtran ,開發(fā)了一個預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土局部應(yīng)力計算分析的模塊.算例分析的結(jié)果表明,該模塊可以滿足計算的精度要求,并能大大

13、提高橋梁結(jié)構(gòu)有限元計算的效率,具有一定的工程實(shí)用價值.參考文獻(xiàn)1肖汝誠.橋梁結(jié)構(gòu)分析及程序系統(tǒng)M .北京:人民交通出版社,2002.2JT J 023-85,公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范S .89增刊劉艷萍等:預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土局部有限元分析的A NSY S 二次開發(fā)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(

14、1.Schoo l o f 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 -s

15、tressed reinforcement 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頁 圖85號和14號預(yù)應(yīng)力筋軸力變化包含分批張拉和徐變的影響,結(jié)果將更接近工程實(shí)

16、際.以上分析表明,采用梁桿組合結(jié)構(gòu)方法模擬預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁是可行的,這一方法不僅考慮了鋼筋對混凝土截面特性的影響,而且使預(yù)應(yīng)力效應(yīng)可以動態(tài)響應(yīng)結(jié)構(gòu)變化,因此能有效提高計算精度,從而可以實(shí)現(xiàn)全橋結(jié)構(gòu)計算仿真.值得指出的是,該方法不能反映預(yù)應(yīng)力筋引起的應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象.參考文獻(xiàn)1肖汝誠.橋梁結(jié)構(gòu)分析及程序系統(tǒng)M .北京:人民交通出版社,2002.2戴顯榮,蔡若虹.利用A N SY S 模擬分析預(yù)應(yīng)力混凝土J.浙江交通科技,2004,(2:22-24.3畢桂平,魏紅一,范立礎(chǔ).A N SY S 在橋梁工程中的應(yīng)用前景A .中國土木工程學(xué)會橋梁及結(jié)構(gòu)工程學(xué)會第十四屆年會論文集C.上海:同濟(jì)大學(xué)出版

17、社,2000.4JT J 023-85,公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)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