基于ANSYS钢筋混凝土结构耦合分析

基于ANSYS钢筋混凝土结构耦合分析老师：学生：学号：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：约束方程法渡槽耦合节点单元BasedonansyscouplinganalysisofreinforcedconcretestructuresWangLiangzenanFengxiaoLiuFeipengOuZhengfengCaiKeke(kunming,yunnanagriculturaluniversity,650201)Abstract:Paperestablishesreinforcedconcretefiniteelementmodelfortheanalysisofengineeringstructuralproblems.InAqueductreinforcedconcretemodelasanexample,theprocessofusingANSYSmodelcouplingandconstraintequationsmethod,considercouplingmethodfortemperaturestress-strainandstressfieldsgeneratedbythecouplinginteraction,constraintequationmethodforreinforcedconcretenodesandnodelinkedwiththeconstraintequations.Ontheresultsofpureconcretestructuresandreinforcedconcretestructurescontrast.Theresultsshowedthatthereinforcedconcretefiniteelementmodelcansimulatetheactualreinforcedconcretemodelcanprovideareliabletheoreticalbasisforengineeringsafetymonitoring.Keywords:theconstraintequationmethodaqueductcouplingnodeelement1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6.0×5.4m，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，高2.0m，其余底肋宽0.5m，高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26.8×8.5×2.0m，（长×宽×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(I1、K1)；底梁中孔：X方向（C1、D1）；底梁边孔：X方向(A1)；中墙：X方向（H1）；边墙：X方向（G1）和Y方向(M1)；侧肋：Y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]。2.2FEM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。[3]ANSYS有限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Solid45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Solid70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。[4]2.3材料参数混凝土密度为ρ=2400kg/m3，弹性模量为Ec=3.45×104N/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ρ=7850kg/m3，弹性模量为Ec=1.8×105N/mm2，泊松比为V=0.30，钢绞线直径：Φf=15.2，导热系数为10kJ/（m·h·ºC）。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2漕河渡槽漕身有限元模型图3漕河渡槽钢绞线有限元模型图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，竖直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各种工况荷载组合工况荷载自重风载预应力水压力冰压力温度GK1√√√设计水深升GK2√√√设计水深√降GK3√√加大水深升GK4√√加大水深√降GK5√√平槽水深升GK6√√平槽水深√降GK7√√建成无水升GK8√√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，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：εs＝0.007233MPa，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41℃，阴面温度35℃，槽内水温28℃。[6]3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[7]。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[9]。有如下形式：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]。4计算结果在X方向，渡槽顺水流方向看作简支梁，以向跨内为正；在Y方向，渡槽铅直方向看作悬臂梁，以向下为正；在Z方向，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)部位结构纵底梁跨中底板底肋跨中边肋拉杆槽顶中孔边孔上表面下表面中墙边墙钢混x1.751.75-0.0810.836-0.081-0.081-0.081-3.75-3.75y-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纯混x1.611.61-0.0880.761-0.088-0.088-0.088-3.49-2.64y-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)部位结构边墙中墙顶部底部顶部底部钢混x1.2631.0861.2631.263y-1.978-1.978-2.584-2.584z-0.1290.0757-0.129-0.0267纯混x1.1610.9971.1611.161y-1.828-1.828-2.388-2.388z-0.125-0.189-0.125-0.0927图8漕河渡槽钢筋混凝土应变图图9漕河渡槽纯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看出钢筋混凝土和纯混凝土应力分布基本一