ADINA中钢筋预应力施加方法分析

张学菊

(宁夏水利水电勘测设计研究院有限公司 银川 750004)

预应力钢绞线的精确描述目前在国内外尚未见诸于文献,但关于钢绞线的定性描述一般使用三维空间杆单元进行模拟[1],例如 ADINA程序中的Rebar单元,ANSYS中的 Link8单元等[2,3]。因此,在此基础上结合南水北调中线京石段应急供水工程麻黄沟预应力钢筋混凝土渡槽的实体模型进行进一步的研究,钢筋与混凝土之间无相对滑移模型中钢筋用 Rebar杆单元模拟,钢筋与混凝土之间有相对滑移模型中钢筋用 3D-Solid八结点六面体实体单元模拟[4],对其两种模型进行对比,研究 ADINA中钢筋预应力的施加方法。麻黄沟渡槽横断面图如图 1所示。

图 1 麻黄沟渡槽横断面图 (单位:m)

对于钢筋预应力的模拟,在有限元软件中目前常见的几种模拟方法有降温法、初应变法。

1 降温法

所谓降温法,实际上是一种体外钢筋的方法,也就是说钢筋和实体分开建模,将混凝土和预应力钢束划分为不同的单元一起考虑,然后赋予钢筋和混凝土同时的温度差,由于钢筋在温度降落的过程中,变形受到混凝土的限制,从而产生了温度应力。这种应力可以通过一定的换算转化为钢绞线的预应力。降温法即采用设置材料的初始温度为 0,然后根据式 (1)对预应力筋施加温度载荷。

式中:T为温度载荷值;Fpre为预应力筋的预应力;E为钢筋的弹性模量;Alp为钢筋的线膨胀系数;A为钢筋横截面积。

利用降温法进行模拟时,预应力要转化为对应的温度差。这种温度差并不是沿整个预应力钢筋进行的,而是在不同的段要有不同的温度差。由此产生一个问题就是预应力钢筋究竟用几段来进行离散适宜很难确定。

2 初应变法

初应变法是将预应力钢绞线和混凝土分开建模,通过对预应力筋单元的实常数设置初应变来模拟预应力效应,但是并不在预应力钢绞线的位置将混凝土单独离散,也就是说,不太多地考虑预应力钢绞线的位置问题,而仅仅保证在有预应力钢绞线的位置具有一个平面即可,然后通过编制程序,自动将预应力钢绞线单元施加于混凝土单元中间,再在预应力钢绞线上面加上初始应变,程序自动将初始应变转化为初始应力,从而完成预应力钢绞线的模拟,计算公式如下:

此方法的优越性在静力分析中主要体现在钢绞线在渡槽变形的过程中,能够根据渡槽的变形不断地调整预应力的大小。这一点是与结构的实际受力状态非常吻合的,在动力分析中,它可以考虑到预应力对于结构动力性能的贡献。

3 ADINA中钢筋预应力的施加

麻黄沟渡槽有限元模型如图 2、图 3所示。

3.1 钢筋有滑移模型预应力的施加

采用 ADINA程序进行有限元分析,在钢筋有滑移模型中钢筋采用块体单元,用降温法施加预应力。具体步骤如下:求得有效预应力后,用温度模拟预应力,赋予钢筋温度值,降温钢筋收缩,相当于加初应力。此模型选择降温法加预应力的优点为:在 ADINA结构分析程序中,初应变法与竖直坐标有关 (加地应力时大多用初始应变法),钢绞线竖直坐标不断变化,加初应变与局部坐标有关,钢绞线每一个局部坐标的方位都不一样,因此就该模型而言适合选择降温法加预应力。

图 2 钢筋无滑移渡槽有限元模型

图3 钢筋有滑移渡槽有限元模型

3.2 钢筋无滑移模型预应力的施加

在钢筋无滑移模型中钢筋采用杆单元,ADINA中用 Rebar单元模拟钢筋,采用初应变法施加预应力,ADINA软件中不能对 Rebar单元采用降温法,降温法适合体单元。直线筋考虑预应力损失为控制应力值的 0.15倍左右,曲线筋为 0.25倍左右,最后乘以系数 1.155(该系数 =重要性系数 1.1×设计状况系数 1.0×永久荷载分项系数 1.05)。

4 结语

在有限元分析软件中钢筋预应力的施加方法有降温法和初应变法,文中通过对麻黄沟预应力钢筋混凝土渡槽钢筋与混凝土有相对滑移和无相对滑移两种模型预应力施加方法对比分析,得出在 ADINA分析软件中,初应变法适合杆单元;降温法适合体单元。

1 杜拱辰.我国预应力混凝土结构当前面临的问题和对策[J].建筑技术开发.2001,28(5):1-4.

2 刘天成,贾艳敏.无黏结预应力混凝土结构非线性数值分析 [J].长沙交通学院学报.2006,22(2):8-11.

3 田奇,等.钢筋及预应力机械应用技术 [M].北京:中国建材工业出版社,2004.

4 朱伯芳.有限单元法原理与应用 (第二版)[M].北京:中国水利水电出版社,1998.