ANSYS模拟钢管混凝土支架问题的实现

张淼　李晶晶　胡向辉

摘 要：随着钢管混凝土材料的普及，钢管混凝土在工程中的应用越来越广泛，钢管混凝土的强度与钢管厚度、截面形式、核心混凝土的强度有着密切的联系，ANSYS有限元模拟软件可以对大部分的工程模型进行模拟，但在钢管混凝土模拟方面，总是会遇到各种各样的问题，文章针对这些问题，提出了自己的看法，希望借此文，为今后使用ANSYS软件模拟钢管混凝土提供帮助，也为钢管混凝土构件的受力分析提供良好的借鉴意义。

关键词：钢管混凝土；ANSYS；问题

1 钢管混凝土简介

钢管混凝土是钢管内填充混凝土的构件，不但施工方便，而且也克服了材料自身的缺陷。钢管混凝土结构相比钢结构节约了大量的钢材，而相比钢筋混凝土结构则节约了大量的混凝土，并且经济合理，具有一定的耐火特性。钢管混凝土自身所具有的优势吸引了大批学者对其进行研究，并取得了良好的成果，在工程中得到了广泛的应用。

2 ANSYS软件应用简介

ANSYS是美国ANSYS公司研制的有限元分析软件，其应用范围很广，能够和多种计算机软件接口，如为大家所知的cad软件，同时也是功能最为强大的软件之一，在历年的FEA评比中都名列第一，我国也有广泛的应用基础。其在土木工程、电磁、能源、轻工、地矿等都有这广泛的应用，在我国某些理工院校中，也被钦定为专门的教学软件。

3 ANSYS模拟钢管混凝土支架问题的实现

文章所说的钢管混凝土支架是专门用于煤矿巷道支护的新型钢管混凝土支架，在煤矿巷道支护过程中，由于地应力存在于围岩的四周，因此，要求钢管混凝土支架要四面封闭，形成一个稳定的受力结构，只有如此，才能够有效控制围岩变形，针对圆形的钢管混凝土支架的ANSYS模拟，必然会导致一系列的问题，现将问题简单叙述如下：

3.1 模型简化

钢管混凝土支架的原型是呈圆形，专门控制呈圆形的巷道的变形，对于圆形巷道的变形问题，如果采用ANSYS模拟，则势必会导致无法加载的情况，或者说四周加载无法计算的问题，因此，在对支架进行模拟时，一定要对模型进行适当的处理，既要保证模型能够正常计算，又要保证模型能够真正的反应出支架的实际受力情况。文章在模拟钢管混凝土支架的受力情况时，采用将原来本来是圆形的钢管混凝土支架计算模型进行简化，简化为半圆形，这样就可以将钢管混凝土支架的有限元计算量降低一半，同时，通过巷道顶部和侧部压力的分别施加，更加逼真的模拟了煤矿巷道的支护情况。

3.2 计算准则的确定

钢管混凝土的本构关系可以分为线性、性弹性、非线性、弹塑性等力学模型，其中研究最多的是非线性和弹塑性，各个破坏准则的表达方式和繁简程度各不一样，适用范围和计算精度也不同，这就给模拟带来很大困难。

ANSYS商品混凝土的破坏准则与屈服准则的定义直接关系到模拟精度和模拟结果，因此，对于其本构关系又非定义不可。文章采用tb，concr，matnum准则，而非屈服准则，理论上其是不同的，屈服准则的最终表现形式是屈服，但并未破坏，而钢管混凝土支架的承载力研究则在于破坏而非仅仅屈服。同时，作为非线性破坏的钢管混凝土构件，其关键是研究其承载能力的破坏而非屈服，因此，文章研究的钢管混凝土构件默认的是tb准则。

3.3 钢管与混凝土粘结问题的解决

随着计算速度和电脑科技的发展，离散裂缝模型又再一次被推广使用，就ANSYS在模拟钢管混凝土技术上而言，可以考虑钢管和混凝土之间的粘结，引入弹簧模型进行模拟，但最终的结果是计算麻烦，反而将模型复杂化。文章认为，在大部分的结构受力分析上，可以不考虑钢管与混凝土之间的粘结与滑移，简化弹簧单元，直接默认钢管和混凝土之间粘结良好，认为solid45和solid65之间本身并无裂隙和裂缝。这样的简化也符合实际需要。钢管混凝土在实际施工的过程中，很难保证钢管混凝土之间没有丝毫裂隙，但是微裂隙对钢管混凝土支架整体结构的影响几乎可以忽略不计。即使会出现较大的裂缝，也是在施工过程中出现的，可以通过在混凝土中加入膨胀剂来消灭裂隙。文章模拟的钢管混凝土支架就是采用的v，glue，的方法进行计算的。

3.4 非线性收敛问题

混凝土作為典型的非线性材料，运用ANSYS计算是很难收敛，其不收敛与多方面因素有关，但主要影响因素不外乎其网格大小，收敛准则等，网格的密度究竟多少合适，没有人在模拟之前会知道，因此，需要自己慢慢试算，考虑到计算费用，建议由大到小计算，只要能满足要求，即可不必细分。收敛精度的调整并不能解决收敛问题，但是可以加速其计算进程，放宽收敛条件加速一般不能超过百分之五，有时候也可以强制其计算收敛。

3.5 材料参数的选择

对钢管混凝土进行有限元模拟，考虑到solid65单元是专门为混凝土而设置的一种抗拉能力弱而抗压能力强的非均匀材料，因此文章对混凝土的模拟采用solid65单元，钢管单元采用solid45单元，将钢管混凝土支架的模型简化为半圆形，其具体的材料参数为，钢管：泊松比0.280，弹性模量2.06×105N/mm2，塑性模量0.15×105N/mm2，屈服应力300N/mm2：密度7.85g/mm2，混凝土：泊松比0.2，弹性模量3.65×104N/mm2，粘聚力5.5654，摩擦角55.6°，膨胀角30°。

4 钢管混凝土支架ANSYS模拟结果

以下模拟结果是对圆形钢管混凝土支架的模拟结果，将圆形的钢管混凝土支架简化成了半圆型，考虑到围岩四周压力的不同，将半圆型的钢管混凝土支架又分成三段，便于对其进行加载，钢管采用solid45单元，混凝土采用solid65单元，材料参数如上文所述，主要收敛准则采用上文所述的准则，最终计算出的支架结果如图1所示。

由图1分析可知，此钢管在受力的情况下呈现出顶部变形较大，两侧变形较小的形状，而加载情况刚好是围岩顶部压力和侧部压力为1：1.5的情况，符合实际围岩应力的情况，同时，钢管支架的两端出现了内收的情况，主要是在计算过程中，将钢管混凝土支架两端作为固定端考虑的，此模型计算结果符合理论分析，按照文章所述，确实成功的运用ANSYS模拟出了钢管混凝土支架的结果。

5 结束语

文章通过对钢管混凝土结构受力的有限元模拟，对钢管混凝土进行了受力分析，从钢管混凝土支架的受力分析过程，利用ANSYS实现了其分析的过程，从而为ANSYS分析钢管混凝土模型提供了良好的基础，文章研究的钢管混凝土支架本为圆形，但是通过一定的模型简化，计算简化，最终实现了其ANSYS的受力分析，文章得出了结果最终经调试收敛，也就是说，利用ANSYS模拟钢管混凝土是完全可行的，也符合理论数值的计算结果。

参考文献

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