ANSYS预应力钢筋建模方法总结

下雨的日子

ANSYS预应力钢筋建模方法总结

在使用ANSYS对预应力构件进行分析时，常常由于预应力钢筋的存在加大了模型的建模以及分析难度。本文对常见的预应力钢筋建模方法略做了总结。

ANSYS对预应力钢筋的分析方法从大体上主要分为两种：等效载荷法和实体力筋法。所谓等效载荷法也即是将混凝土和预应力钢筋的作用分别考虑，且以外加荷载的形式取代预应力钢筋的作用，而实体筋法则是在建模过程采用Solid65单元模拟混凝土，link180单元模拟预应力钢筋。

下面就分别针对这两种方法的特点略做简要总结。

一、等效载荷法

该方法的主要优点就是建模简单，不必考虑力筋的具体位置，网格划分较为容易，使用该方法可以较为容易得到结构在预应力作用下的整体效应。        

但该方法的缺点也显而易见，主要如下：

1.该方法没有考虑力筋对混凝土的作用分布以及方向。

2.由于预应力钢筋通常是不规则形状，因此对某些线性的力筋模拟较为困难，例如常见的直线（较短）+曲线+直线（很长）+曲线+直线（较短)。

3.无法得到结构细部的受力反应。

4.当结构同时有外部荷载作用时，其共同作用难以考虑。

5.张拉过程无法模拟

6.无法模拟应力损失等其他一些不利因素。

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二、实体力筋法

与等效荷载法不同，实体力筋法将混凝土和预应力钢筋划分为不同的单元，并且考虑其相互间的作用，此时预应力的施加可以通过降温或者初应变两种方式实现。两种施加初应力的方法相比较而言，降温法比较简单，同时还能模拟力筋的应力损失。初应变法一般情况下是不能考虑预应力损失，工作量较大。

从上述描述可见，采用实体力筋法模拟预应力效应时，结构建模较为复杂，尤其是当预应力钢筋较多且多为不规则线性时，对结构单元的划分带来的工作量较大，并且极容易出现不规则单元形状。

相比等效荷载法而言，实体力筋法有较多优点：

1.由于在建模过程中准确定位了预应力钢筋，因此该方法能充分考虑预应力钢筋对结构的影响。

2.可以模拟不同程度的张拉。

3.可以得到结构在预应力和其他荷载共同作用下的反应。   

4.可以模拟应力损失的影响。

因此，在具体分析过程中，需要根据分析目的选择合适的方法，例如，如果只关心结构在预应力钢筋作用下的整体响应，可以选择等效载荷法，而如果要考虑力筋不同线形、不同张拉程度、应力损失或者需要观察局部应力反应时，则可以选择实体力筋法。

那么当选择实体力筋法建模时，怎么处理好预应力钢筋与混凝土的关系呢？

一般说来，主要有三种方法：实体分割法、节点耦合法以及约束方程法。

所谓实体分割法，也即是和普通钢筋混凝土分离式建模方法相类似。先建立混凝土几何体，然后利用工作平面和力筋线拖拉形成的面，将混凝土几何体进行切割，得到混凝土几何体内的预应力钢筋线。但如果力筋线很复杂时，建模较为繁琐。

节点耦合法的基本思路是分别建立实体和力筋的几何模型，建模时不考虑两者之间的关系。在对各自进行网格划分后，采用耦合自由度节点将力筋单元和实体单元联系起来。

约束方程法借用节点耦合的概念，通过CEINTF命令在混凝土节点与钢筋节点之间建立约束方程。并且可以设定容差范围，在该范围内，选中混凝土的数个单元节点与钢筋单元的一个节点建立约束方程，通过多组约束方程，将力筋单元与混凝土单元连接为整体。相比其他两种方法，该方法不仅建模效率高，并且也较为符合实际，计算结果较为准确。

实际建模过程中，需要根据具体情况选择建模方法，上述总结也只是对各种方法的略微总结，具体问题还需具体分析，结合各种方法来实现也不是不可能的。