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基本方法实体力筋法是使用实体模型模拟预应力钢筋的一种方法.在桥梁结构计算中,采用该方法需要解决以下问题:桥梁结构中涉及的钢筋数目多,线型复杂,分布比较集中,手动建立实体模型难度很大;钢筋线型复杂,数目多,对应预应力损失的计算、模拟也复杂,期望通过程序实现自动计算.1.1参数化建模对于各线型的钢筋,采用导线法1定义.在钢筋形状数据表中记录各线型对应的多个节点坐标以及曲线半径等数据,同时建立各钢筋线信息库,存储模型中钢

3、筋线的具体位置,以及其它一些相关参数.建模时,调用这两个库,可直接建立不同形状和不同位置的钢筋线.1.2钢筋模拟预应力效果分析根据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

4、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ANSYS 软件具有良好的开放性,提供有UIDL,APDL 和U PFs 等二次开发工具.本模块在Visual C+平台上开发用户界面,通过U PFs 建立V C 界面与ANSYS 程序的连接,最后在ANSYS 程序中调用APDL 宏文件实现程序主体功能,其中主要包括参数化建模、钢筋预应力计算及联结处理等子模块.2.1用户图形界面图1局部分析模块主菜单VC 界面能实现深层的菜单嵌套,

5、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

6、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

7、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.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菜单选取需要进行分析的对象,以便于操作和分析.2.3钢筋预应力计算与模拟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

8、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 = 3.5×1010Pa,v =0.167;预应力钢筋材料参数为:E =1

9、.911×1011Pa ,v =0.33, =1.0×10-5;钢筋截面积为0.00266m 2;初始张拉力106N.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

10、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. 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

11、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

12、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 i

13、ng 1YA N G X in -hua 1YA N G W en -bing1(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

14、Visual Fo rtr an .With this module the pre -stressed 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 +(

15、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

16、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 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 t