基于ANSYS钢筋混凝土结构耦合分析资料

1、f萌耒當*辜基于ANSYS钢筋混凝土结构耦合分析老师:学生:学t=r.号:专业：农业水土工程学院：水利学院2014年11月基于 ANSYS 钢筋混凝土结构耦合分析摘要：本文建立钢筋混凝土有限元模型 , 用于分析工程结构问题。以渡槽钢筋混 凝土模型为例，模型建立过程中采用 ANSYS 中耦合和约束方程法，耦合法用于 考虑温度场和应力场耦合共同作用产生的应力应变， 约束方程法用于将钢筋节点 和混凝土节点用约束方程联系起来。 对纯混凝土结构以及钢筋混凝土结构的计算 结果对比。 结果表明，钢筋混凝土有限元模型可以模拟实际钢筋混凝土模型， 能 为工程安全监测提供可靠的理论依据。关键词： 约束方程法 渡槽

2、 耦合 节点 单元Based on ansys coupling analysis of reinforced concretestructuresWang Liangzenan Feng xiao Liu Feipeng Ou Zhengfeng Cai Keke( kunming, yunnan agricultural university, 650201)Abstract: Paper establishes reinforced concrete finite element model for the analysis of engineering structural probl

3、ems. In Aqueduct reinforced concrete model as an example, the process of using ANSYS model coupling and constraint equations method, consider coupling method for temperature stress-strain and stress fields generated by the coupling interaction, constraint equation method for reinforced concrete node

4、s and node linked with the constraint equations. On the results of pure concrete structures and reinforced concrete structures contrast. The results showed that the reinforced concrete finite element model can simulate the actual reinforced concrete model can provide a reliable theoretical basis for

5、 engineering safety monitoring.Key words: the constraint equation method aqueduct coupling node element1概述渡槽是输送渠道水流跨越河渠、 溪谷、洼地和道路的架空水槽。 普遍用于灌 溉输水，也用于排洪、排沙等，大型渡槽还可以通航。渡槽主要用砌石、混凝土 及钢筋混凝土等材料建成。 渡槽作为南水北调的重要组成部分， 是跨越道路、 河 流、山谷以及泄洪排涝的水工建筑物，但是由于其过水流量大，承受的荷载大， 结构形式复杂，因此对其进行准确的受力分析极其重要。 南水北调中线漕河渡槽， 采用多侧墙三向预应

6、力钢筋混凝土结构， 采用三槽一联的箱形断面。 本文采用三 维有限元线弹性计算， 分析在工况下槽身结构重要部位的应力应变情况， 分析槽 身的结构合理性，为设计部门提供决策依据，以便使其能够安全、稳定、正常的 运行1。2 模型的建立2. 1工程简介主河床槽段采用30m多侧墙三向预应力钢筋混凝土结构，单槽断面尺寸6. 0 X 5. 4m,边墙厚0. 6m，顶部设2. 0m宽的人行道板；中墙厚0. 7m，顶部设2. 7m 宽的人行道板。两墙中间设拉杆，宽 0.3m,高0. 4m,间距为2. 5m，槽端间距 为0.78m。槽身两边墙设侧肋，宽 0.5m,高0.7m。布设底肋，近槽墩底肋宽 0.7m，咼2

7、. 0m，其余底肋宽0. 5m，咼0.9m。两槽之间每跨端部预留 0. 55m 长的后浇带， 以便给预应力张拉留出工作空间。 槽墩为空心重力墩， 基础为端承 桩，承台尺寸为26. 8X 8. 5X 2.0m，（长X宽X高），承台下设12根端承桩，双 排布置。槽身预应力主要采用直线形和曲线形两种，直径为 15. 2mm。其中直线形钢 铰线编号10种，孔道150个，共有980根，总长22771cm；曲线形钢铰线编号 有 9 种。孔道 26 个，共有 328根，总长 25417.1cm。直线形钢铰线布置及编号：底板：X方向（F1 ）和Z方向（11、K1）;底梁 中孔：X方向（C1、D1）;底梁边孔：

8、X方向（A1）;中墙：X方向（H1）;边墙： X方向（G1）和丫方向（M1）;侧肋：丫方向（N1）。曲线形钢铰线布置及编号： 中纵梁：X方向（E1、E2、E3、E4）;边纵梁：X方向（B1、B2、B3）;底肋： Z 方向 （J1、 L1）2。2.2 FEM 模型 单元的选取：从渡槽的结构中来看，槽体为主要分析对象，其次为钢绞线，本文将渡槽槽体结构当作水工混凝土结构来进行计算， 对于漕河渡槽这一类大跨 度、高承载的巨型渡槽需要考虑对预应力钢绞线的模拟， 也就是在混凝土结构中 考虑钢筋单元的影响， 因此计算分析时用钢筋和混凝土两种单元建模， 以下介绍 ANSYS中模拟的这两种单元。3ANSYS有限

9、元分析软件中结构分析采用Link8单元（三维杆单元）模拟钢绞线和 Solid 45 单元 （三维体单元） 模拟混凝土；加重力荷载、水荷载、 风荷载等荷载后，转换为热分析，钢绞线转变为 Link33 单元（三维杆单元）模 拟，混凝土转变为 Solid 70 单元（三维体单元）模拟，温度属稳态热对流方式， 通过 ANSYS 加入实体外对流面的温度，要得到内部实体温度，就需要对渡槽进 行热分析，然后求解其温度场得出结果,再将热分析中得到的节点温度通过ANSYS 写入作为体荷载然后由热分析转换为结构分析读入体荷载作为外荷载， 最后模拟计算出结构的整体温度场和应力场同时存在的应力和应变。42.3 材料参

10、数混凝土密度为P =2400kg/ m3，弹性模量为Ec=3. 45X 104N/mm2，泊松比为 V=0.167,线膨胀系数为8E-006/oC，导热系数为10kJ/ （m h -oC）。钢绞线密度为p =7850kg/ m3,弹性模量为 Ec=1. 8X 105N/mm2，泊松比为 V=0.30,钢绞线直径：f=15. 2，导热系数为10kJZ （m h nC）。2.4 模型的建立若结构形状基本规则，设计要求高，宜用映射网格划分。 渡槽结构整体对称，有限元模型如下图所示。图2为有限元模型，通过对图1实体模型划分网格得到，单元数为 50240, 节点数为62273。图1漕河渡槽漕身实体模型图

11、2漕河渡槽漕身有限元模型1 P 1 ;溟科川；:,T 图3漕河渡槽钢绞线有限兀模型图4钢筋混凝土约束方程图由钢绞线模拟理论可知，对于漕河渡槽中有曲线钢筋属于钢筋结构复杂情 况，选用实体力筋法中的约束方程法。创建混凝土单元组和钢筋节点组，结果如 图4。由图4可知建立约束方程是在钢绞线周围进行的，该方法不改变节点位置， 比节点耦合法简单得多，而且计算精度比节点耦合法高，是解决形状复杂结构力 筋线的较佳方法。因此选用这种方法来解决钢筋复杂的钢筋混凝土结构计算问 题。2.5边界条件竖直根据图5支座约束情况（水平箭头代表支座在垂直水流方向可以运动，箭头代表支座在顺水流方向可以运动），因此槽身施加的边界条

12、件是：在槽身一 端圆圈支座处施加x,y,z三向约束，其余三个支座施加竖直方向和顺水流方向约 束；在另一端与圆圈对应支座施加竖直方向和垂直水流约束，其余三个支座施加竖直方向约束5。图5支座约束2.6计算工况表1各种工况荷载组合预应力荷载工况自重风载水压力冰压力温度GK1VVV设计水深升GK2VVV设计水深V降GK3VV加大水深升GK4VV加大水深V降GK5VV平槽水深升GK6VV平槽水深V降GK7VV建成无水升GK8VV建成无水降本文计算工况选 GK1，风压力作用在槽身侧面，迎风面按1.9552kN/m3,3背风面-0.975kN/m3,预应力 采用赋初始应变的方法施加。初始应变： s=0.00

13、7233MPa,槽内设计水深4. 150m,夏季输水（按均匀温升工况考虑），温度 计算时对流的温度有三个：取渡槽外表面阳面温度 41C，阴面温度35r，槽内 水温 28C。63钢筋混凝土模拟理论为了充分利用高强度材料，弥补混凝土与钢筋拉应变之间的差距， 人们把预 应力运用到钢筋混凝土结构中去。即在外荷载作用到构件上之前，预先用某种方 法在构件上（主要在受拉区）施加压力，当构件承受由外荷载产生的拉力时，首 先抵消混凝土中已有的预应力，然后随着荷载的增加，才能使混凝土受拉而后出 现裂缝，因而延迟了构件裂缝的出现和开展 。下面介绍ANSYS对预应力的处 理方法：ANSYS中模拟预应力钢绞线有等效荷载

14、法和实体力筋法。等效荷载法：基本思想是将复杂但有规律的多个荷载等效为一个荷载来在 ansys施加，让加载变得方便，主要适用于受力简单的模型，对渡槽复杂的钢筋 混凝土结构产生的作用是难以用荷载代替的。实体力筋法：其基本思想是将预应 力钢绞线建立在模型之中，作为另外一种材料但是与混凝土紧密联系约束在一起，之间的相对变形要保持一致8。实体力筋法又分为：实体分割法，节点耦合 法，约束方程法，下面详细介绍约束方程法：在节点耦合法中，是点与点之间的耦合，因为节点较多，所以略显麻烦。约 束方程法是点与单元之间联系，然后创建约束方程，计算速度快，精度也高。而且约束方程提供了比耦合更通用的联系自由度的方法。有如

15、下形式:Cons tanfCoefficienii 1 */(/)2这里U（ I）是自由度，N是方程中项的编号。使用约束方程法在建立模型划分网格后，只需先选择混凝土单元，然后选择钢筋节点，在容差范围内由混凝土单元中的节点与钢筋的一个节点建立约束方 程，最终通过建立多组约束方程，将钢筋单元和混凝土单元连接为整体10。具体实现方法如下：先要创建混凝土单元组命名为 elem_temp和钢筋节点组为node_temp。 本文所用的命令流：cmsel, S, elem_temp!选择1预耦合单元组cmsel, S, node_temp!选择 2预耦合节点组ceintf, 0. 25, all!耦合单元组

16、与节点组显然，该法比节点耦合法繁琐的联系所有节点更能提高工作效率， 而且较节 点耦合法降低了对混凝土网格密度要求提高了计算效率。 约束方程法也比较符合 渡槽钢筋混凝土实际情况，计算结果较为精确11。在X方向， 在丫方向， 在Z方向，4计算结果渡槽顺水流方向看作简支梁，以向跨内为正； 渡槽铅直方向看作悬臂梁，以向下为正； 渡槽横向看作三跨连续梁，正视图中向左为正。工况1应力应变计算结果如下：表2钢筋混凝土和纯混凝土结构应力对比 （MPa ）结构部位纵底梁跨中底板底肋跨中边肋拉杆槽顶中孔边孔上表面卜表面中墙边墙钢x1.751. 75-0. 0810. 836-0. 081-0. 081-0. 08

17、1-3.75-3. 75混y-1. 15-1.15-1. 15-1.15-1.15-1. 15-1. 15-1.15- 1. 15z-0.283-0. 283-1. 250.3610.038-0. 927-0. 283-0. 283纯x1.611.61-0. 0880. 761-0. 088-0. 088-0. 088-3.49-2.64混y-1. 09-1.09-1. 09-1.09-1.09-1. 09-1. 09-1.09-1. 09z-0.251-0. 251-0.8510. 3480.9480. 048-0. 851-0. 251-0. 251图6漕河渡槽钢筋混凝土应力图图7漕河渡槽

18、纯混凝土应力图表3钢筋混凝土和纯混凝土结构应变对比（mm）结构部位边墙中墙顶部底部顶部底部x1. 2631. 0861. 2631.263钢混y-1.978-1.978-2. 584-2. 584z-0.1290. 0757-0. 129-0. 0267x1.1610.9971.1611. 161纯混y-1.828-1.828-2.388-2.388z-0.125-0.189-0. 125-0. 0927r UX I 4,ibiE -J1IBI aiI Liii图9漕河渡槽纯混凝土应变图图8漕河渡槽钢筋混凝土应变图结果分析：1. 应力应变相同点：计算所施加的荷载完全相同，根据应力应变分布图可以

19、 看出钢筋混凝土和纯混凝土应力分布基本一致，应变大致一样，符合理论要求。2. 应力应变不同点：由以上计算结果分析可得钢筋混凝土结构部分部位所受 应力比纯混凝土大，应变也比纯混凝土要大，这是由于钢筋的密度比混凝土密度 大导致自重偏大引起的。200MPa。3. 钢筋与混凝土在抗拉与抗压中的优势与劣势： 混凝土抗拉强度比其抗压强 度要低得多，大约为抗压强度的1/10,因此受拉很容易造成内部结构破坏，微观 晶格结构开裂和分离，和混凝土相比钢筋抗拉强度高，一般大于4. 充分利用钢筋与混凝土的优势：工程中采用钢筋混凝土共同工作充分利用 高强度材料，钢筋在抗拉强度有优势用来承受拉力部分， 混凝土抗压强度大用

20、来 承担压应力部分。纵底梁跨中所受拉应力较大，所以钢筋配置多，槽顶受压应力 大，由混凝土承担所以配筋少。5总结1. 全文通过介绍漕河渡槽的漕身混凝土结构及钢筋布置，分析其钢筋混凝 土结构。2. 钢筋与混凝土成为一体的方法选取：因为存在曲线钢筋，用实体分割法虽然能够分割出曲线钢筋，但是六面体网格难以实现，接着考虑节点耦合法和约 束方程法，但是若使用节点耦合法，当实体单元划分稀疏时，力筋节点位置有可 能变动，这就造成了一定的误差，降低了计算精度，而约束方程法不仅能将钢筋 线网格和混凝土体网格两个有不相似网格模式的区域连接起来，而且使节点位置不动，比节点耦合法简单，计算精度高，是解决力筋线形状复杂结构的较佳方法。 最终选定约束方程法，使钢筋和混凝土同时参加计算，更好的模拟了钢筋混凝土。3. 热分析与结构分析相结合：ANSYS耦合功能使温度场和应力场耦合能更 好的模拟工程实际情况。4. 结合实际：对实际工程重要受力部位的应力应变