CAD技术在预应力反力墙系统设计中的综合应用

马 勇

长江大学城市建设学院（434023）

0 前言

计算机辅助设计（CAD，Computer aided design）是一种能帮助人们运用计算机技术进行设计工作的科学技术。在设计工作中，计算机能帮助人们进行计算、保存信息和画图。设计者利用计算机进行计算、分析以及方案的比较。各种信息，包括数字、词语、图形都能保存在EMS内存或外部存储器中，并能很快搜索到。

在中国,用于绘图的计算机辅助软件自20世纪80年代开始研制，落后于发展国家。但早在20世纪50年代，我们的研究者已经开发计算机进行计算工作。从20世纪90年代开始，随着结构设计规范的普及，结构CAD得到迅速发展。现在在中国，有很多结构分析CAD软件,如PKPM系列软件，TBSA系列软件，等等。但对于复杂的结构系统，在用CAD软件进行设计后，还需要用有限元软件进行验算。实际上，就其计算和分析能力而言，有限元分析也属于CAD技术。

研究了一个反力墙和其基础系统，这是一个复杂的特殊结构。本文综合采用了CAD技术和有限元软件对此系统进行分析。

1 L形反力墙系统

反力墙及其基础是一种大型结构试验设备，可用于大型结构的静力和周期荷载试验，它也可用于大比例甚至全比例的拟动力结构试验。在此系统中，反力墙用于固定油压千斤顶，当油压千斤顶施加服务荷载时提供反力。基础用于固定设备部件，阻止试件移动或旋转。它承受试件传来的拉力，并把设备部件的重力和荷载均匀的传递给地基土，减少地基的不均匀沉降。由于变形要求非常严格，此试验系统常常采用预应力混凝土系统。

所研究的反力墙是L形的:由北面部分和西面部分组成，见图1。这两个相互垂直的墙体课用于大比例的结构在两个方向的地震激励试验。反力墙与基础连接在一起,以提高抵抗弯矩和剪力的能力。反力墙和基础都是箱形截面，因此它们的刚度都很强。在反力墙和基础顶板设置有一些锚孔，见图2。这些锚孔是用来固定液压加载设备和试件的。

2 计算机辅助设计系统的应用

2.1 运用CAD设计软件设计预应力混凝土结构

由于反力墙系统是一种试验设备，因此变形要求非常严格:墙顶部水平位移与墙高之比不应超过1/1000；在施工和使用阶段不允许出现裂缝。由于施加在反力墙和基础上的荷载非常大，采用了后张拉无粘结预应力混凝土以避免出现裂缝。在输入以下信息之后，CAD设计软件能计算预应力损失并把预应力施加在混凝土上。并进行承载能力极限状态计算和正常使用极限状态验算。

2.2 基本信息

基本信息包括：截面尺寸、恒载弯矩和剪力、活载弯矩和剪力。由于在静力和动力试验中受到加载系统施加的力，反力墙系统主要受活载。它的最大活载弯矩和剪力可以根据可能受到的最大服务荷载计算，并把墙简化为悬臂梁。裂缝抗震等级为一级，即在荷载效应标准组合下混凝土受拉边不出现拉应力[1]。

2.3 预应力参数

预应力参数是那些与预应力技术相关的参数，如张拉方法、预应力筋的类型、锚固、松弛、预应力筋的标准强度值，等等。

2.4 钢筋信息

钢筋信息包括:钢筋类型、位置、直径、预应力筋和非预应力筋的数量等。图3显示了反力墙的典型截面，包括预应力和非预应力筋的直径和间距。

2.5 其他信息

其他信息包括:混凝土等级、箍筋直径和间距、抗震等级、计算跨度、变形参数、施加预应力时的混凝土强度比例，等等。

2.6 计算剪力墙

输入上述信息后，对剪力墙的计算包括：截面的几何性质、预应力损失、正截面和斜截面的承载能力和抗裂缝强度和变形计算。在这些计算中，预应力的总体损失时一个非常复杂的问题。预应力的总体损失包括五个主要部分：钢绞线的弹性缩短和锚具的变形、摩擦损失、预应力筋松弛造成的应力损失、混凝土的收缩和徐变和混凝土的弹性压缩。CAD设计软件可以帮助设计者根据输入的信息完成预应力损失的计算。

3 有限元分析

运用有限元方法分析整个系统，采用大型通用有限元软件ANSYS进行分析。分析计算包括以下内容。

3.1 单元类型

因为钢筋间距较小，钢筋混凝土采用整体模型——有钢筋的SOLID65单元。SOLID65单元用于三维固体模型，可以有或没有钢筋。此固体单元适合于模拟受拉开裂和受压。在混凝土中的应用中，此单元中的固体性能适于模拟混凝土，而钢筋性能适于模拟钢筋性质。非预应力筋可用SOLID65单元中的钢筋模拟。根据墙中、基础顶板、基础内墙和底板的不同钢筋，分别计算相应的非预应力筋比例和材料参数。

3.2 材料模型

混凝土的材料本构模型对于混凝土结构的分析有很大的影响。本文选择William-Warnke破坏准则作为混凝土破坏准则。在混凝土达到屈服前，混凝土性质视为弹性。所需要的材料参数包括:张开裂缝的剪力传递参数βt，闭合裂缝的剪力传递参数βc，单轴抗拉强度，单轴抗压强度，等等。它们的取值参考文献[2]。

3.3 有锚孔的系统的简化

反力墙的加载面和基础顶板上有很多锚孔。如果完全根据实际锚孔建立模型，整个模型的单元数量将非常巨大。因此，数值模型需要进行简化，同时考虑这些锚孔的削弱效应。如果有现场的实测试验数据，如应变、变形、荷载等，则可以用反分析的方法计算出有锚孔的混凝土材料参数[3]。如果没有实测试验数据，则可以采用如文献[2]的模拟试验方法作为替代方法。在施加位移荷载进行计算后，可以根据应力-变形曲线获得等效的单轴压缩强度。

3.4 施加的预应力

预应力的施加主要有两种方法[4]。一种是等效荷载法。预应力筋的效应等效为结构的外荷载。这种方法的优点是可以直接建立模型，不需要考虑预应力筋的位置，因此有限元网格能简单地划分。第二种方法是对混凝土和预应力钢筋分别用不同的单元,用温度减少或初始应变的方法模拟预应力。这种方法可以获得预应力筋的应力反应。但是当使用了大量钢筋时，如在这个反力墙系统中，第二种方法使得模型变得非常复杂。因此采用第一种方法,预应力的值通过有限元分析之前的CAD软件计算得到。

4 综合应用CAD技术的工作流程

综合应用CAD技术的工作流程图见图4。首先，输入基本信息、预应力筋和其他信息。第二，应用CAD设计软件根据输入的信息对典型构件的承载极限状态计算和正常使用极限状态验算。同时计算预应力。如果不满足相关设计规范如[1]的要求，则返回到第一步去修改相关的信息。如果都满足规范要求，则转向第三步。第三，用于有限元软件进行整体结构的分析。由CAD设计软件计算所得的预应力等效为外荷载施加在系统上。如果经有限元整体计算后，验算不能满足现行规范的要求，设计者需要调整输入的信息，例如混凝土、钢筋的信息，则重复第1、2步。另外在有限元分析中可以进行动力结构分析，如模态分析、谐反应分析和谱分析。

5 计算结果

图5是在北墙作用有水平荷载作用下的反力墙系统的最大主应力图。从图中可以看出，反力墙和基础顶板的大部分都处于受压状态。在预估的最大水平使用荷载作用下，图5中墙顶部最大水平位移仅为1/6667H，H是墙的高度，满足使用要求。

6 结论

CAD技术可以用于设计特殊结构，如反力墙和基础系统。CAD设计软件课用于设计典型构件，进行承载极限状态计算和正常使用极限状态验算。设计结果可用于有限元软件。有限元软件对结构整体进行分析。这样，通过综合应用CAD技术，复杂而特殊的系统可以合理而有效地进行设计。

[1] GB 50010-2010,混凝土结构设计规范[S].北京:建筑工业出版社,2010.

[2] 王德玲,沈疆海.反力墙实验系统的静力有限元分析.长江大学学报（自然科学版）,2008,5(2):123～126.

[3] 古巍,姚勇,朱勇彬.预应力反力墙的ANSYS有限元分析[J].四川建筑,2010,30(2):130～133.

[4] 刘坤,吴磊.ANSYS有限元方法精解[J].北京:国防工业出版社,2005.