桥梁预应力钢筋混凝土结构局部有限元分析的ANSYS二次开发

1、华中科技大学硕士学位论文桥梁预应力钢筋混凝土结构局部有限元分析的ANSYS二次开发姓名：刘艳萍申请学位级别：硕士专业：工程力学指导教师：王乘20050506I 摘 要 随着我国经济建设的飞速发展以及人民生活水平的不断提高局部复杂结构的应力分布情况不能通过 目前广泛采用的等效梁模型计算方法得到为桥梁钢筋混凝土结构的设计和计算提供更准确的指导主要有预应力钢 筋模型的建立以及预应力损失的计算 围绕这些问题使用耦合位移边界条件处理钢筋混凝土 粘结计算得到钢筋有效张拉应力本文基于ANSYS 的二次开发工具包括 前处理 前处理包括建立钢筋混凝土材料库中间计算包括预应力损失和等效边界条件的计算 通过实例 预

2、应力钢筋混凝土IIAbstractWith the rapid progress of our countrys economy and peoples living standard, the technology of bridge engineering has taken significant development and got a brand new situation. But, the equivalent beam model is not available the stress of the complicated structures in partial. The

3、refore, the three-dimensional model is put forward in which the pres-stress steel can be modeled. The more effective advice can be brought forward for the reinforced concrete structures design and calculate.Many problems should be taken into consideration during the solution of bridge structures, in

4、cluding create steel model, calculate pre-stress loss, disposal of the bond between concrete and steel bar, equivalent loads and crack. In order to solve the above problems, the concrete structures and steel bars in FEA model are created separately; the parameters of steel shape are gained by the lo

5、cation of nodes and the radius of flexure curvature; the couple boundary conditions are used to simulate the bond of concrete and steel bar; the boundary load is calculated using statistic equivalent principle and the effective stress of steel bar is obtained by loss formula which is also simulated

6、by temperature load.So, a module for local stress analysis of pre-stressed reinforcement concrete in bridge structures has been developed. Using the user-programming toolkits of ANSYS, Access, Visual C+ and Visual Fortran, It can be classified into three parts: preprocessing, calculating and post pr

7、ocessing. In the preprocessing part the pre-stressed reinforcement concrete model is parametrically constructed, and the corresponding material base and the bond between concrete and steel bar are also developed. With the module both the pre-stress loss and the boundary load can be automatically cal

8、culated and the results are analyzed by the processor of ANSYS.Finally, it is shown from the example result, that the method is efficient.Keywords: pre-stress reinforced concrete, ANSYS secondary development, VC+独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果本人完全意识到本声明的法律结果由本

9、人承担 刘艳萍日期使用学位论文的规定 允许论文被查阅和借阅可以采用影印 王乘 日期 2005 年 5 月 6 日11 绪论1.1 课题研究背景 经济要发展近20多年来千里江面上的座座跨江大桥以及特大跨度与深水基础的海湾海峡天堑变通达 而且为提高人民群众的生活 随着经济的持续生活方面将发挥更大作用 如何确保其安全使用并更大程度的发挥材料的极限这些问题摆在 了我们面前运用最为广泛的为钢筋混凝土结构 另外 1.2 国内外研究近况1.2.1 国内外桥梁结构分析计算发展近况桥梁钢筋混凝土构件的设计往往采用基于大量试验数据的经验公式 也缺乏系统的理论性 2 ÖùºÍ

10、ǽ°åµÈ ²»ÄܽÒʾ½á¹¹ÄÚÁ¦ºÍ±äÐÎÖØ·Ö²¼µÄ¹ý³Ì3ʹÇÅÁº½á¹

11、5;·ÖÎöµÃÒÔÏò³ÌÐò»¯·½Ïò·¢Õ¹ÇÅÁº½á¹¹·ÖÎö½øÈë³ÌÐò»¯¼ÆË

12、7;ÒÔÀ´´Ó¾²Á¦¼ÆËãµ½¶¯Á¦¼ÆËã½ü20年来目前国内外较完善的方法通常按照下列三个层次进行计算 7 ÁºËüÄÜ ´ú±íÈ«ÇŵÄÖ÷&

13、#210;ª½á¹¹ÐÐΪµÚ2层 次指在主要构件范围内的结构分析 考虑梁段应力和桥面作用效应如斜拉桥的索梁锚固构造计算在上述的第1层次以及第2 层次中但对于T 形梁 箱形梁的纵向剪切效应此种计算方法忽略了钢筋对 截面刚度的影响可使用通用有限元软件对其进行三维有限元 分析 一方面工作量很大可应用通3 用有限元软件对局部复杂区域建立空间三维模型即上述第三层次的计算即局部应力分析 ÁíÍâ¸Ö½îµ

14、ÄÔ¤Ó¦Á¦Ëðʧ¼ÆËã½ÏΪ¸´ÔÓ3¼ÆËã»ú¼¼ÊõµÄÍƹãºÍ½á¹¹·ÖÎöÓ

15、;ÐÏÞÔª·¨µÄÓ¦ÓÃÓÉÃÀ¹ú¼ÓÖÝ´óѧ²®¿ËÀû·ÖУµÄK.J.Bathe.E.L.Wilson 和F.E.Peterson 于1970年首先推出结构分析通用程序系统 SAP Í

16、;Á½¨ µÈÁìÓòµÃµ½¹ã·ºµÄÓ¦Óà ¸Ã³ÌÐòϵͳ¾-ÀúÁ˶à´Î¸Ä°æ ¿ÉÓ&

17、#195;ÓÚ·ÖÎöÁº ¿Ç ¾²Á¦ÏìÓ¦ ²¢ÄÜÍê³É¼¸ºÎÈçADINA 程序FEM 可用宏语言描述结构世界有限元界著名的ANSYS 公司所研制开发的ANSYS 软件是融结构电磁ANSYS 软件就率先在有限元分析中引入了图形技术以及交互式操作方式ANSYS 又充

18、分预计了PC 机的发展 强大的处理器用户界面设计语4 言 准确的完成桥梁结构受力分析由中交公路规划 设计院负责展开桥梁结构分析程序化的研究工作同济大学组织完成的BCAD 系统中 结合前后处理组成的桥梁专用综合程序同济大学肖汝城教授主持开发了“桥梁结构线性 和“弯坡斜桥分析系统 ”¸ÃϵͳÍƳöÁËWindows 版本运行于Windows 平台为桥梁结构分析的程序化做出了贡献 46ÇÅÁº×¨ Ó

19、95;³ÌÐò½ôÃܽáºÏÇÅÁºÉè¼Æ·ÖÎöÐèÒª »îÔØЧӦµÄ·ÖÎöÒÔ̽Ã÷ ½&

20、#225;¹¹µÄÎȶ¨ÐÔ¼°¶¯Á¦ÐÔÄܸ´ÔÓ µÄ·ÖÎö ÇÅÁº×¨ÓóÌÐòʹÓ÷½±

21、;ã1.3 本文主要工作 节所述但 是其针对性不强 但其计算能力较差开发出一个专用于计算桥梁结构钢 筋混凝土的程序并可 进行钢筋的预应力损失计算51.3.1 桥梁结构中钢筋混凝土有限元计算ANSYS 有限元软件提供的SOLID65单元通过定义其特有的Concrete element data可模拟混凝土单元的压碎开裂等特征即单独建立混凝土模 型以及钢筋模型桥梁结构中的预应力钢 筋线数目多 逐一对其进行分析计算 采用一个系统的定义模式可以极大的提高工作人员的效率 其位置不同 使得手工计算预应力损失成了分析人员工作量最大在ANSYS 程序内部完成预应力损失的计算 为分析提供了很大的方便钢

22、筋混凝土之间的 联结力与其相对位移之间的关系复杂 所以采用耦合的边界条件模拟其联结所以只能通过程序查找相匹配的混凝土 节点进行耦合工程计算中因为ANSYS 核心程序都是由FORTRAN 完成的6 泛的一种 在编程能力和方便性方面都有很高的水平使用它可以充分利用具有面向对象特性的C+来开发专业级的应用程序 5Ìṩ¸øÓû§UIDLÉæ¼°µÄ·ÖÎö²¿·

23、4;ÉÙһЩUPFs 是三者之间的最强者 复杂数据库交互UIDLÓû§ÀûÓÃUIDL 可直接在系统菜单中添加用户的工作菜单由类似于FORTRAN 77的程序设计语言部分和1000多条ANSYS命令组成函数循环与分支甚至可以按照命令建立自己的模型给变量赋值以及调用另一个宏可以让用户轻松自动化工作(循环是一种高效的参数化建模手段可直接利用文本编辑器进行命令流的编写 常用的有以下一些 有限元模型 3ANSYS 运行中执行的命令集用户利用它们从开发程序源代

24、码的级别上扩充ANSYS 的功能通过把用户应用程序作为接口程序的子程序或函数 并调用其内部子程序允许用户创建ANSYS 可以利用的共享库 34执行用户命令并将用户 定制好的宏文件封装起来 2 系统设计钢筋混凝土局部有限元分析软件的指导思想是研制一个简单交互式的设计计算软件 让设计者能够通过建模得到钢筋混凝土结构应力分布情 况 结构流程对整个系统的结构进行分析和设计 一是桥梁结构中钢筋混凝土结构的ANSYS有限元计算 通过定义其损失类型以及损失计算公式定义钢筋混凝土材料参数 在此基础上完成VC 的二次编程 使用UPFs 接口将VC 程序连接到ANSYS 程序中以及编制用户宏文件等 2前处理数据输

25、入与保存 钢筋混凝土节点粘结处理 7基础上 将程序划分为前处理各模块关系如图2-1所示 2.2.1 前处理在ANSYS 有限元软件中包括混凝土模型以及钢筋模型钢筋模型涉及到的数据量大 钢筋线采用导线法定义线型控制参数 需定义钢筋以及混凝土的材料属性规范定义则由用户输入裂缝控制参数同时把 输入的数据以及计算得到的关键数据保存在程序外数据库文件中前处理操作过程中 2.2.2 计算计算模块分为预应力计算以及边界条件等效计算等 图2-2 中间计算模块流程图预应力计算的基本理论和方法等参见第三章是把梁单元输出的轴力可用材料力学的处理方法 也可等效为截面的应力值 用户可根据需要对混凝土模型进行相应的处理2

26、4 2.2.3 后处理后处理采用ANSYS 的后处理分析器以及混凝土构件的裂缝显示等 3 混凝土结构有限元计算3.1 钢筋混凝土结构的有限元计算前处理过程3.1.1 钢筋混凝土结构有限元模型在钢筋混凝土结构中基于这一点分离式 分离式模型把混凝土和钢筋作为不同的单元来处理 通常可忽略其横向抗剪作用 如此处理 在分离式 模型中钢筋和混凝土之间可以插入联结单元来模拟钢筋和混凝土之问的粘结和滑移没有相对滑移 当钢筋和混凝土之间的粘结理想 在组合式模型中 并对截面的应变做出某些假定并把单元视为连续均匀材料11 ½á¹û±íÃ÷

27、; ÔÚÐèÒª¿¼ÂǸֽîºÍ»ìÄýÍÁÖ®¼äµÄÕ³½áʱ·ÖÀëʽģÐÍÊÇ×îÊ

28、2;ºÏµÄ ÐèÒª¸ø¶¨²ÄÁϵIJÄÁÏÊôÐÔÔÚ¼ÓÈëÔ¤Ó¦Á¦¸Ö½îºó 表3-1混凝土弹性模量及其设计强度和标准强度¿

29、1;²ÉÓÃ1/6 ½¨ÒéÓû§¸ù¾Ý±í3-1定义材料属性把混凝土当成了一种线弹性的材料ANSYS 程序中允许用户自定义混凝土应力应变曲线需要输入的材料属性包括弹性模量标准强度可参照规范给出的数值MPaIV 级钢筋冷拉III级钢筋冷拉5号钢筋V 级钢 筋 3.2 空间预应力钢筋描述及建模在钢筋混凝土结构中另外 当折线的分段数足够多时描述平面曲线时一般采用导线法复杂程度大大增加 与导线法相似 在定义导线点时 需

30、要注意的一点是 记录的导线点的数据格式为 其中XR 为该点的曲率半 径1 1Êý¾Ý·Ö±ðΪ1111(, , ,0X YZ 02 图3-2曲线预应力钢筋分析图图3-2中的粗实线为曲线钢筋线的相应数据 图3-3墩顶箱梁悬壁施工腹板预应力钢束 在Z0Y 平面内图中R 1=800cm 3 4 5 其中节点2的计算如下 图3-4 节点2坐标值的计算75x = 3-2 ÔÚANSYS程序中创建对应的直线段如果大于 ʹÓò

31、8;¶ûÔËËã 3.3 预应力损失计算预应力混凝土构件中引起预应力损失的原因很多 3.3.1 预应力钢索与孔道壁之间的摩擦引起的预应力损失1Òò´ËÀ뿪ÕÅÀ-¶ËºóÔ¤Ó¦Á¦¸ÖË÷µÄÔ¤Ó¦Á¦

32、Öð½¥¼õСĦ²ÁËðʧÓÉÁ½²¿·Ö×é³É½Ó´¥²ÄÁÏÖ®¼äµÄÄ¥×èϵÊý

33、¼°¹ÜµÀÊ©¹¤ÖÊÁ¿17 擦损失 其计算公式为 按表3-3取值按表3-3取值 m¹âÃæ¸Ö½î螺纹钢筋 预埋铁皮管 0.40 钢管抽芯成型 预埋波纹管µçÈȺóÕÅ·¨²»¼ÆĦ²Á&#

34、210;ýÆðµÄËðʧ2½ø¶ø¼ÆËã³öÔ¤Ó¦Á¦Ëðʧ1s 1ÈôÏßÐÔ¼òµ¥¸ù¾Ý¸ø¶¨µ

35、96;ÀëÉ¢¶ÎÊýy(, x LX Lnum rate =3-518(, z LZ Lnum rate = LX ÓÃÀ´»ñµÃ½Úµã×ø±ê2´¦µÄÔ¤Ó¦Á¦¸ÖË÷ÀÛ¼&#

36、198;³¤¶È(1s L 与累计空间包角(1s为 取钢索中三个离散点并且已知i 点的累计长度为(i s L 求j 点的累计长度( j s L 以及累计空间包角(j s 求j 点的累计长度( j s L 首先j 和k 三点的 x 分别表示为则( 求j 点的累计空间包角( j s 取(1 i 点12i i ii x x x + =12i i ii z z z += 2i jij x x x += 2i jij z z z +=2j kjk x x x + =2j kjk z z z += ij ij ii m y y = jk jk ijm y y = 3

37、- 10 19cos A = 3-12 3-13钢筋左端第2点的(2s L 和(2s 以及末端点n 的( n s L 和(n s 3在计算第2 点时ii iy y =314的计算流程可得到(2L 和(2 在计算末端点n 时 3-10jk k z z = 351,2, , i n= L( ( ( i n i s s s = 3-17扣除预应力损失1s 后应力曲线的计算进而得到扣除1s 后的有效预应力曲线' SS 和' EE 分 别为假定在左显然' 'S E = ©C 下面给出C 点位置以及预应力值的计算 20图3-5 扣除损失1s 后的有效预应力曲线a计

38、算点1i 与i 处两条应力曲线之间的差值分别为1112h l L h h =+ 3-20( (1 1( /i i C s s l L = 点C 点坐标为21进而可计算从右端开始累计得C 点累计长度与累计空间包角C 点预应力损失1s 的应力比例可由式也可直接内插得出 考虑反摩阻的锚具变形基本公式此项应力损失与锚具的形式及拼装块件接缝的涂料有关可按表3-4定义表3-4 一个锚具变形接缝类型变形形式变形值l 螺帽缝隙每块后加垫板的缝隙缝隙压密1 1 钢丝束的墩头锚具 锚具变形1 环销式锚具 叉型垫板压密及锚具变形 2 钢制锥形锚具钢筋回缩及锚具变形6JM12锚具222假定此项损失在预应力钢索全长范围

39、内都相等 应考虑预应力钢索与管道壁之间的反摩阻作用 则可以求出预应力钢索回缩的影响长度扣除反向摩阻力E 点对应的预应力钢索上点的曲线距离点E 处损失2s 为 ·´Ä¦×èÁ¦ÏàµÈ¸ù¾Ý±äÐÎÐ-µ÷Ìõ¼þ21( ffs l l Yl dl l dl E = 3-28¿ÉÓÃ

40、02;ÔË㷨ȷ¶¨Ó°Ï쳤¶Èf l23T 的预应力损失大小为E 点的有效预应力2( 2y E E = ¸÷¶¨Î»µã¿Û³ýÔ¤Ó¦Á¦Ëðʧ1s 后的有效预应力回缩终点的计算 上式实际计算时步

41、骤如下1 3-31 计算下一个小区域的面积由于10l =' ' 11(1 (1 ( i i i i i ii i S l l =+ 4得到回缩终点在点1j 和j 之间 24ÁîÆäΪk 点 3.3.3 钢索松弛引起的预应力损失 预应力钢索在持久不变的载荷作用下应力也相应降低计算公式如下得到钢筋的有效控制应力为 超张拉25125k s s s = ¼ÓÈë¸Ö½îÄ£ÐÍÖÐ 3-

42、40Ϊ¸Ö½îÏßÅòÕÍϵÊýÐèҪת»»³ÉÓÐÏÞԪģÐÍÖжÔÓ¦µ¥ÔªµÄ¿

43、6;ÖÆÓ¦Á¦ ²¢½«Õâ ЩÊý¾Ý±£´æÔÚÊý×éÖÐ2µÃµ½i µãµÄÓÐЧ¿ØÖÆÓ¦Á

44、;¦i 3的过程 2j ik += 5将有效控制应力转换为温度载荷通过传递使 二者之间的应力及变形协调钢 筋与混凝土的粘结对钢筋混凝土结构有限元法分析有着密切的关系26 根据大量的试验结果与粘结机理的分析钢筋外形特征横向配筋情况以及混凝土浇注情况有关 有大量学者根据试件的试验数据的拉伸试件在重复荷载下获得的粘结力分布和端部滑移结果262931001058.5108.5310S S S =××+× S 以cm 计Houde 和Mirza 根据62根拉伸试件的试验结果提出 12' c f 为混凝土抗压强度以Kgf/cm2计清华大学滕智明等根据92个短

45、埋拔出式试件和12个轴拉混凝土试件给出了局部粘着力与滑移关系公式 23Ϊ ¾Ö²¿Õ³½áÓ¦Á¦ mm( F x Ϊճ½á¸Õ¶È·Ö²¼º¯Êýx Ϊ×î½Ó½üµÄ&

46、#186;áÏòÁÑ·ìµÄ¾àÀë则采用L=300mm²¢·´Ó³ÁËÑØL ³¤¶ÈÕ³½á ¸Õ¶ÈµÄ±ä»¯Çé¿ö27在ANSYS 程序中

47、滑移的关系可自定义其非线性的刚度 因此在模拟联结时定义COMBIN39 的刚度可根据粘结滑移曲线计算 在工程实际中因此本文 将钢筋和混凝土之间的联结视为理想联结 在混凝土节点和钢筋节点之间建立耦合位移的边界条件 模型复杂因此使用ANSYS 内部函数nnear 查找距离钢筋节点最近的混凝土节点 避免混凝土节点重复耦合 对节点进行优化刷选这种由于耦合所产生的误差可忽略不计 混凝土节点与钢筋节点数目多 用户直接选定需要耦合的钢筋线子集合 钢筋混凝土裂缝计算混凝土结构是带裂缝工作的 ÁÑ·ìµÄ·¢Éú

48、ÈçΣ¼°½á¹¹µÄ°²È«Ê± »òÀ-Ó¦±ä²»³¬¹ý»ìÄýÍÁµÄ¼«ÏÞÀ-ÉìÖµ2Ñ&#

49、185;ËéµÄ²ÄÁÏÄ£ÐÍmatnum28可以定义W failure criterionÒ »°ãÀ´ËµSOLID65采用的是William-Warnke 五参数强度模型ShrCf-Op 张开裂缝的剪切传递系数 ShrCf-Cl闭合裂缝的剪切传递系数 UnTensSt 抗拉强度 UnCompSt 单轴抗压强度 BiCompSt 双轴抗压强度 HydroPrs 静水压力BiCompSt 在上

50、述静水压力下的单轴抗压强度 UnTensSt 在上述静水压力下的双轴抗压强度 TenCrFac材料拉裂后的应力释放因子如果不考虑高静水压力的情况 一般可设置偏大一些裂缝的显示可通过ANSYS 自带的后处理分析器查看在后处理中可以使用PLCRACK 命令对裂缝进行输出GUI 29element centroid:单元质心默认值方式红色的圆轮廓标识all crack: 三种颜色的圆轮廓标识 执行该命令后但最终裂纹是闭合的 第二次裂化则显示一个绿色的圆圈如果 单元内任意积分点出现破碎 即八面体符号如果某个 单元超过一个积分点裂化Power Graphics命令不支持该命令的部分内容 计算的收敛条件较

51、为苛刻 所以3.7 边界条件计算 建立钢筋混凝土有限元模型后 将平面整体分析获得的梁单元的轴力施加的方法如下得到av N 以及av Q30的加载命令F2¸ù¾Ý²ÄÁÏÁ¦Ñ§ÖÐƽÃæ´¿ÍäÇúÁººá½ØÃæÕýÓ¦Á&#

52、166;µÄ¼ÆË㹫ʽΪºá½ØÃæÉÏÕýÓ¦Á¦z I 为截面惯性矩根据式 3-47ʹÓÃ*Get 命令得到截面的中心轴位置以及截面惯性矩3.8 ANSYS子集合操作根据ANSYS 提供的Comp 操作本文程序并提供用户界面用以选取不 同的集合例 如定义耦合在对 钢筋模型划分网格时在A

53、NSYS 中也会定义该钢筋集合的网格单元属性以及钢筋预应力损失的计算方法31 本章从模型的选择开始 即分离式 的特点之后本章详细讨论了预应力钢筋的损失计算以及有限元计算 结合工程实际反摩阻的锚具变形其中预应力损失的计算流程如图3-8所示 得到各点的预应力损失值见图 3-9 32图3-9 1s 数值计算流程图 最后将离散段的张拉应力等效到有限元的模型中去介绍了根 据工程计算的要求介绍了等效边界载荷的计算及其在模型中施加的问题都是通过ANSYS 自带的APDL 语言完成的334 基于ANSYS 的 Visual CAPDL 宏文件包括数值计算以及ANSYS 命令封装同时包括用户 界面后台的数据库操

54、作部分 能适应各种风格的编程需求输入数据的操作能力也很差因此 通过比较分析编写的用户界面可对用户操作能够加入Access数据库删除等处理分析4.2 Visual C²¢³ÉΪANSYS 的子程序因此要使ANSYS 能调用Visual C+的子程序得到一个带有Fotran 外壳的链接库文件将其资源库文件编译到链接库文件中最后编译得到用户子程序ansys.exe 文件344.3 Visual CÐèҪͨ¹ýÃüÁî

55、ʵÏÖÕâÒ»¹ý³ÌµÚÒ»ÖÖÀàÐ͵ڶþÖÖÀàÐÍÌí¼Óµ½ANSYS 程序中去具体实现的过程为程序内部将其赋值给一个变量命令在用户工作目录中创建一个.mac 文件 Èç¹&

56、#251;Éæ¼°µ½Êý¾Ý¿âµÄ²Ù×÷Æä´¦Àí·½·¨ÓëµÚÒ»ÖÖÀàÐÍÀàËÆint Nd;char StrOfDisNum10;m_Dis

57、Num.GetWindowText(StrOfDisNum,10;Nd=int(atof(StrOfDisNum;/ 读取用户输入数据354.4 程序数据库 模块运行过程中利用ADO C+接口 程序在后台建立局部分析数据库 预应力钢筋形状数据表以及预应力钢筋信息表等 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信息表存储 钢筋形状编号 预应力损失类型编号 添加数据到数据库中 以材料编号为索引 横截面积 预应力钢筋形状数据表以钢筋编号为索引 线形编号 钢筋线的编号该数据表详细记录了各钢筋线的数据信息用户通过类操作定义界面CPartMain class ´æ´¢Ó붨Òå*pDlgPartMainCPresMat class²¢Ìá½»