ANSYS桥梁建模经验1.doc
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第4章连续刚构桥参数化有限元模型建立
4.1引言
众所周知，有限元分析的最终目的是通过模型来反映实际工程的力学特性，建模的过程是将工程特性转化为数学行为特征，而建立一个能准确反应物理原形的有限元模型对正确分析结构，得到正确的结果来说是至关重要的。
当然建立一个完全与物理模型吻合，面面俱到的模型，对于一个庞大的复杂的工程来说也是不太可能的。
从实用角度来说，模型的求解费用也是一个相当重要的指标。
因此，有限元模型的建立尽量做到有的放矢。
本文分析的重点在于大跨度预应力混凝土梁桥箱形截面抗弯抗剪的效率研究，通过研究箱梁顶底板和腹板的匹配对弯曲应力和剪切应力的影响，以及不同荷载情况下连续刚构各区段弯曲应力和剪切应力的增长速率规律，来揭示预应力混凝土箱梁腹板开裂的本质。
因此需要建立一个通用性强的参数化实体模型。
同时为了进行分析对比，以及其他相关参数的概略获取，需要建立与实体模型对应的空间梁元模型。
通过大型通用有限元分析程序ANSYS的APDL（ANSYSparametricdesignlanguage）功能，建立了一个合理的连续刚构桥参数化实体有限元模型，为本文有限元分析提供了坚实的基础，为刚构桥桥梁分析设计工作提供了有力的保障。
本章就连续刚构桥参数化实体有限元模型的建立的方法、必要的简化、实际工程力学特性在有限元模型中的实现做概要介绍。
4.2APDL特点简介
APDL也就是ANSYS参数化设计语言，是一种类似FORTRAN的解释性语言。
它具有一般程序语言所具有的功能，如参数、宏、标量、向量及矩阵运算、分支、循环、重复以及访问ANSYS有限元数据库等功能。
是优化设计的基础，也是参数化设计的最高技术[52]。
APDL命令流通常具有以下优点：
1．模型文件小，不同版本间通用性强。
2．可以通过简单编程实现重复计算，减少人工干预，降低分析成本。
3．通过对ANSYS有限元数据库的访问，可以通过不同的手段控制模型的建立，为二次开发提供了方便。
4.3模型的建立的总体构思
4.3.1模型的适用性和可调性
为了满足分析的要求，要求箱形截面具有可调性；为了使APDL命令流能够适应不同跨径，不同预应力配束的混凝土单箱室连续刚构，要求纵向各个截面具有几何拓扑一致性，预应力束的生成具有规律性；为了适应钢筋混凝土,预应力混凝土桥的分析要求，要求普通钢筋的配筋率具有可调性；针对以上模型要求，制定以下建模手段。
1.从连续刚构桥纵向来看，保证各个截面具有几何拓扑一致性，对于箱形截面来说，只有空间倒角部位可能出现截面拓扑不一致，在建模时人为将其定义为几何拓扑一致。
对于横隔板建模采用后补法来实现。
2.从横截面来看，一般单箱室连续刚构桥具有外轮廓的几何拓扑，因此将其作为截面的拓扑。
对于和其拓扑一致或者可以调整为该拓扑结构的连续刚构都能分析。
对于箱内倒角为双折线的连续刚构只能近似模拟。
具体建模时，我们只需输入外轮廓尺寸，截面纵向位置，APDL命令流即可自动计算其他关键点位置，用循环语句生成实体模型。
3.对于每一根预应力束，定义张拉端为局部坐标原点，通过指定导线点局部坐标，和局部坐标在整体坐标中的位置进行定位。
对于双向张拉的预应力束将其分为两根来建模，分割点位于0.5L处（L预应力束总长）。
这样做看上去繁琐，但却解决了所有预应力束都可以通过一个宏命令完成预应力束损失的计算，单元的生成，初应变的赋值功能，没有任何局限性，为参数化建模提供了保证。
参数的输入只有各导线点局部坐标，局部坐标在整体坐标中坐标，张拉控制力，波纹管类型等计算损失的参数。
4.关于普通钢筋混凝土的配筋率的计算，采用分部位分区段配筋，即横截面分区域，纵向分段，在每一个截面赋值数组中定义各个部位的钢筋横向、竖向、纵向的钢筋直径、钢筋间距，通过这些参数编写APDL命令流确定配筋率以及实体单元分层关键点所在。
以下给出一个算例：
例：
顶板普通钢筋配筋如图4-1，确定上层配筋层纵向配筋率，建模控制点参量。
计算：
1）输入参量：
；；；；
2）计算建模控制点参量：
；
3）计算上层配筋层纵向配筋率：
4）返回计算数值和进行建模和单元属性赋值。
图4-1配筋率计算示意图
Fig.4-1Schematicplanofratioofreinforcementcalculation
4.3.2模型的边界条件与必要简化
从上一节我们可以看出，本文采用的连续刚构实体有限元模型，从真实反应结构的力学特性方面做的比较细致，采用APDL建模技术后，可操作性也大大提高，但尽管如此，模型的规模还是比较庞大的，因此必须考虑计算效率的问题。
1.为了大量降低单元数，纵向仅对一个T进行模拟（即：
只模拟一个边跨和半个中跨）；在跨中处施加对称约束；横向上仅模拟半个箱梁，在对称截面处施加对称约束。
也就是采用四分之一模型。
单元总数控制在10万以内，单次求解时间小于15分钟。
这样做只能模拟对称荷载，近似模拟部分非对称荷载效应，当然扭转效应无法模拟，这样做对于本文的分析研究基本满足，如果有必要，也可以采用单元镜像功能对APDL命令流稍作改动进行全桥分析。
2.对于桥梁的下部结构，仅建立双薄壁墩，对于基础不作模拟，即采用墩低完全固接。
这样做对我们的研究对象箱形梁影响不大。
3.对部分预应力筋进行集束处理，顶板纵向预应力束预留位置是固定的，如果跨经较大，纵向预应力束较多，只能以就近原则在同一点建立多根预应力束；竖向预应力如果是双排按单排考虑。
4.边跨支座以SOLID45做混凝土块体近似模拟支座，块体底部仅施加竖向支撑，其他自由度放松。
这样做是为了避免在进行非线性运算时SOLID65单元因应力集中而不收敛。
4.3.3模型的单元选取和材料特性
整个模型共采用三种单元、可定义多种材料属性。
其中梁体钢筋混凝土采用SOLID65实体元，支座以及双薄壁墩采用SOLID45实体元，预应力钢筋采用LINK8杆单元。
其中实体单元的材料特性，普通钢筋和预应力钢筋的材料特性，均作为参数化变量可以调整；实体元的实常数（配筋率、配筋角度）、以及预应力单元的实常数（初应变、面积）由APDL命令流根据所输入的控制参数（普通钢筋直径、间距；预应力钢筋直径、锚下控制力、材料特性）自行计算。
4.4预应力混凝土模型的建立
预应力混凝土的建模是整个模型建立的关键所在，下面对其进行单独论述。
预应力混凝土模型的建立有两个重点：
1.预应力效果的模拟；2.钢筋（包括普通钢筋和预应力钢筋）与混凝土的连接。
4.4.1预应力效果的模拟
所谓预应力效果，是指预应力的力学行为，包括对混凝土施加预加力、预应力张拉损失、预应力在整个预应力钢筋中的分布、混凝土收缩徐变带来后期预应力损失、预应力的被动受力效应、预应力钢筋与混凝土之间的滑移。
当然如果将这些预应力效果在一个模型里同时考虑是很不现实的。
以下这几种预应力力学行为的模拟做一简单分析。
1.施加预加力
如果是单纯施加一定的预加应力,通常有等效荷载法、线单元初应力法。
前者的弊端是不能模拟后期预应力损失，以及被动受力特性。
2.预应力张拉损失
预应力张拉损失包括管道摩擦损失；锚具变形、钢筋回缩损失；混凝土加热养护时，预应力钢筋与台座之间的温差损失；混凝土弹性压缩损失。
这些损失有的可以通过事先计算然后采用等效荷载法、线单元初应力法对其进行模拟，然而弹性压缩损失按规范计算难以对其真实模拟，必须通过施工顺序的模拟来实现其真实的模型预应力赋予值。
3.预应力在整个预应力钢筋中的分布
实际的预应力值由于张拉预应力钢筋与混凝土的摩擦导致预应力值的分布不均一。
如果采用线单元初应力法，则必须采用多单元赋予多个初应变来模拟，当然，带来了模型的复杂化。
4.混凝土收缩徐变带来后期预应力损失
混凝土的收缩徐变可以采用调整弹性模量法、和定义蠕变材料非线性来实现。
其带来的预应力损失效应最好用线单元初应力法模拟，程序进行自动应变协调计算，不需要人工干预，或者手算。
5.预应力的被动受力效应以及预应力钢筋与混凝土之间的滑移的模拟
这种效应的模拟必须采用线单元初应力法模拟，钢筋与混凝土之间的滑移还必须引进接触单元。
本文所建立的模型采用线单元初应力法，分段模拟预应力值，不考虑钢筋与混凝土之间的滑移和混凝土收缩徐变带来后期预应力损失。
管道摩擦损失、锚具变形、钢筋回缩损失按照现行规范编写预应力损失计算程序，在预应力钢筋单元生成的同时，自动计算相应的初应变赋予单元，并按顺序将实常数编号、相应初应变返回预定的数组，便于下一步根据施工阶段的模拟补偿弹性压缩损失。
值得一提的是补偿弹性压缩损失。
关于弹性压缩损失，有两点需要澄清一下：
a.弹性压缩损失有时指实际工程的弹性压缩损失，有时指有限元模型的弹性压缩损失。
前者是指先张法预应力混凝土放张后产生的弹性压缩损失和后张法预应力混凝土分批张拉引起先张拉的预应力束，在其他预应力束张拉时可能引起的弹性压缩损失；后者是由于有限元采用线单元初应力法模拟预应力所带来的；本文所说的补偿弹性压缩损失是针对于后者而言，也是有限元正确模拟预应力分批张拉的必经之路。
b.对于先张法和后张法预应力的工程弹性压缩损失，有限元模拟和手算是截然相反的。
先张法工程弹性压缩损失手算是在控制力乘以一个折减系数，而有限元模拟则是输入与控制力等价的初始应变，通过预应力和实体元变形协调真实得模拟混凝土的受力状态，也就是说不需要、也应该再调整初始应变。
后张法预应力，对于张拉过程中产生的弹性压缩，手算不折减，对于分批张拉引起的弹性损失进行折减；而有限元模拟恰恰相反，张拉过程的弹性压缩要通过迭代计算调整初应变来真实模拟张拉，而对于分批张拉的弹性压缩损失，通过预应力和实体元变形协调自行损失，不得再次调整。
图4-2是后张法悬臂施工预应力初应变调整流程图：
I=I+1
求解计算
I=1
输出e
END
查询
生成实体单元
生成预应力束
N
N
Y
Y
I＞NC
图4-2初应变调整流程图
Fig.4-2Flowdiagramofinitialstrainadjustment
其中：
—施工阶段总数；
—初应变数组；
—1到i施工阶段实体单元；
—1到i施工阶段预应力单元；
—1到i预应力单元的初应变向量；
—i批预应力单元的初应变向量；
—i批预应力单元；
—i批预应力单元的存留应力向量；
—i批预应力单元的控制应力向量；
—允许误差。
通过以上预应力单元的控制模拟，前三项预应力效果都得到了很好的模拟，通过APDL的功能，使得预应力的模拟得到了很好的实现，具有可推广性。
4.4.2钢筋与混凝土的连接
如果采用线单元初应力法模拟预应力，有限元模型中钢筋和混凝土的连接主要分为三种,即分离式、整体式和组合式[42~52]。
1.分离式模型
把混凝土和钢筋作为不同的单元来处理，即混凝土和钢筋各自被划分为足够小的单元，两者的刚度矩阵是分开来求解的，考虑到钢筋是一种细长的材料，通常可以忽略其横向抗剪强度，因此可以将钢筋作为线单元处理。
钢筋和混凝土之间可以插入粘结单元来模拟钢筋和混凝土之间的粘结和滑移。
一般钢筋混凝土是存在裂缝的，而开裂必然导致钢筋和混凝土变形的不协调，也就是说要发生粘结的失效与滑移，所以此种模型的应用最为广泛。
2.整体式模型
将钢筋分布于整个单元中，假定混凝土和钢筋粘结很好，并把单元视为连续均匀材料，与分离式不同的是，它求出的是综合了混凝土和钢筋单元的刚度矩阵；与组合式不同之点在于它不是分别求出混凝土与钢筋对单元刚度的贡献然后再组合，而是一次求得综合的刚度矩阵。
3.组合式模型
组合式模型又分为两种：
一种是分层组合式，在横截面上分成许多混凝土层和若干钢筋层，并对截面的应变作出某些假设，这种组合方式在钢筋混凝土板、壳结构中的应用较广；另一种组合方法是采用带钢筋膜的等参单元。
当不考虑混凝土和钢筋二者之间的滑移时，三种模型都可以。
本文建立的模型既考虑普通钢筋、又考虑预应力筋，因此采用预应力钢筋与混凝土的连接采用整体式模型，不考虑预应力钢筋与混凝土之间的滑移；对于普通钢筋与混凝土的连接采用分层式带筋预应力混凝土单元SOLID65。
这样建立的模型既可以分析钢筋混凝土梁桥，也可以分析预应力混凝土梁桥。
具体建模采用几何建模法和单元建模法的组合建模，钢筋混凝土采用建立几何模型后扫略成SOLID65实体单元，预应力束采用直接连接钢筋混凝土单元上的节点形成LINK8单元。
这样建模的前提是实体单元的建立必须在预应力束所在位置生成节点。
通过ANSYS的体切割命令,可以在实体几何模型上切出预应力筋的节点位置,这对于几何形状不太复杂的模型是比较方便的，如果模型较为复杂时，（如实体不太规律，含有曲线预应力钢筋等），切割法会产生形状不符合求解要求的实体单元，即坏单元。
同时切割的APDL编程不太容易控制。
本文采用预应力筋处预留关键点，以及适当加密腹板单元的竖向划分数来保证模型的预应力束位置与实际工程吻合（见图4-2，4-4）。
这样做一方面增加了分析命令流程序的通用性和APDL编程的可操作性；另一方面有利于模型的生成，即保证了单元的正确性，又大大降低了单元的数目（见图4-4，4-5），这对于求解是非常有利的，但带来了大量的模型建立前期工作。
要使模型具有一定的适用性和可调性，必须进行容错判断，需要进行合理的几何数学计算和严密的逻辑判断。
所谓分层式带筋预应力混凝土单元SOLID65，就是对普通钢筋的弥散采用分部位弥散，即钢筋密集的部位建立带有弥散钢筋的SOLID65单元，没有钢筋或者配筋率低的地方用不带钢筋的SOLID65的单元。
如图4-2所示，空白区为不带钢筋的SOLID65的单元，带钢筋的SOLID65的单元。
根据不同区段（包括横截面分区、和纵向节段划分）进行不同的配筋率设置，可以很好地模拟普通钢筋混凝土的受力特性。
图4-3实体分网控制图图4-4SOLID单元分层示意图
Fig.4-3meshednetworkofbox-sectionFig.4-4LaminationofSOLID65
图4-5三向预应力束模型图
Fig.4-5Themodelingof3-Dprestress
图4-6预应力束和钢筋混凝土单元连接
Fig.4-6Thecombineof3-Dprestresselementsandsolidelements
4.5本章小结
本章详细阐述了通过APDL命令流建立适用性较广的连续刚构的依据、技术和过程，为模型的分析和结论的可靠性提供了有力的论据，为同类型桥梁有限元APDL建模提供了技术参考。
该模型可操作性较强，可以提供详细的分析资料，具有很强的实用型和可开发性。
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