预应力梁的组合结构分析方法及其有限元实现

预应力结构的有限元分析■1 引子预应力结构用XXX结构软件做YYY类型分析，能不能做？如何做？预应力结构，顾名思义是指在构件承受荷载之前，提前施加应力的结构。

通过分析计算，预测外荷载到来时力的大小和方向，在此之前给结构施加与外荷载效应方向相反的力，将外荷载效应全部或部分抵消掉，从而提高结构承载能力。

预应力结构依据结构类型不同可分成预应力混凝土结构和预应力钢结构，本文主要研究预应力钢结构。

预应力结构与一般结构的有限元分析有诸多不同之处，另外限于各种软件的功能限制，有些分析类型不能做或是做不好，往往令结构工程师无从掌握。

本文将就各种有限元和结构软件（ANSYS，GSA，MIDAS，SAP2000，STAAD/PRO）针对不同的分析类型（Linear static, P-△, Nonlinear static, Modal, Eigen Bucking, Spectrum, Harmonic, Transient，和其他细分和衍生类型，不同软件有所区别）做一一探讨。

为使文章脉络清晰，一些理论阐述都放在附录里面。

■2各种软件的预应力结构分析●2.1Prestressed Structure Analysis of ANSYS Software在ANSYS中一般单元可以通过温度作用施加预应力；LINK类的单元可以通过单元应变来施加；另外还可以通过初应力荷载施加(命令为：ISWRITE，ISTRESS，ISFILE)。

初应力荷载只能在结构静态和完全瞬态分析（线性或非线性）中使用，支持初应力荷载的单元类型有：LINK180；BEAM188，BEAM189；PLANE2，PLANE42，PLANE82，PLANE182，PLANE183，PLANE185；SHELL181;SOLID45，SOLID92，SOLID95，SOLID185，SOLID186，SOLID187；预应力结构的ANSYS分析和两个命令密切相关，PSTRES命令和SSTIF命令，它们的详细解释如下：ANSYS中对PSTRES的说明如下：Specifies whether or not prestress effects are to be calculated or included. Prestress effects are calculated in a static or transient analysis for inclusion in a buckling, modal, harmonic (Method = FULL or REDUC), transient (Method = REDUC), or substructure generation analysis. If used in SOLUTION, this command is valid only within the first load step. If the prestress effects are to be calculated in a nonlinear static or transient analysis (for a prestressed modal analysis of a large-deflection solution), you can issue a SSTIF,ON command (rather than a PSTRES,ON command) in the static analysis.ANSYS中对SSTIF的说明如下：Activates stress stiffness effects in a nonlinear analysis (ANTYPE,STATIC or TRANS). (The PSTRES command also controls the generation of the stress stiffness matrix and therefore should not be used in conjunction with SSTIF.) If used in SOLUTION, this command is valid only within the first load step.1、Linear static Analysis可以计算。

钢—混凝土组合梁桥有限元分析摘要：钢—混凝土组合梁能够充分发挥钢材的抗拉性能和混凝土的抗压性能，是一种性能优良的新型结构形式。

以体外预应力工字型钢—混凝土等跨度连续梁为研究对象，利用有限元法分析其应力、应变、滑移及变形情况：（1）利用ansys建立有限元模型，模拟计算结果与试验结果吻合良好，所建有限元模型是可靠的；（2）建立实桥模型，提出体外预应力筋应力增量的简化表达式，并与有限元计算结果进行对照分析，验证公式的正确性；（3）利用实桥模型，分析集中荷载作用下，组合梁滑移性能特点；讨论不同荷载作用下，组合梁剪力滞特点。

关键词：组合梁；有限元；滑移；应力增量；剪力滞0 引言钢—混凝土组合梁能够充分发挥钢材的抗拉性能和混凝土的抗压性能，是一种性能优良的新型结构形式。

而体外预应力组合梁是近些年才逐渐出现的一种组合结构，顾名思义，体外预应力组合梁就是将预应力筋布置在组合梁结构之外，以达到提高刚度和承载力的目的[1]。

因此，本文利用有限元软件AYSYS对预应力钢—混凝土组合连续梁桥应力增量、滑移以及剪力滞效应等力学行为进行了分析研究，得到了一些有益的结果，以期为工程技术人员提供参考和借鉴。

1 组合梁的有限元建模1.1单元选择混凝土选择SOLID 65单元，该单元是一种实体单元，可以合理的模拟3D实体混凝土结构；钢筋选择LINK 10单元，该单元是一种杆单元，可以较好的模拟受压或者受拉构件。

钢梁采用SHELL181单元，该单元是一种壳单元，工字钢常用此单元进行模拟；抗剪连接件采用COMBIN 39单元，该单元为非线性的弹簧单元，是一种单向变形单元。

1.2试验模型结构尺寸本论文首先根据吉林大学[2]试验试件为原型，利用ANSYS建立与试验等尺寸模型。

从图8、图9可以看出，外荷载作用下，组合梁剪力滞效应很明显，预应力作用下出现的是负剪力滞效应，施加荷载后，负剪力滞逐渐转变为正剪力滞，并且随着荷载的增大剪力滞后现象也越明显。

Analysis on Mechanical Property and Bearing Capacity of Prestressed Steel -Concrete Continuous Composite BeamsCandidate Du HuanhuanSupervisor Professor Liu ZhongCollege College of Civil Engineering and MechanicsProgram Constructional EngineeringSpecialization Steel and Concrete Composite StructureDegree Master of EngineeringUniversity Xiangtan UniversityDate April, 2013湘潭大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了本文特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在本文以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权湘潭大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日湘潭大学工学硕士论文摘要预应力钢－混凝土连续组合梁（Prestressed Steel-Concrete Continuous Composite beams，简称PCCB）是在普通组合梁的基础上采用预应力技术形成的一种横向承重组合构件，通过栓钉等剪力连接件使得钢筋混凝土板与钢梁两个部件共同承受荷载、协调变形的一种梁。

横向预应力加固板梁桥的有限元分析第23卷第1期石家庄铁道学院(自然科学版)V o1.23N..12019年3月JOURNALOFSHUIAZHUANGRAILWAYINSTITUTE(NATURALSCIENCE)Mar.2 019横向预应力加固板梁桥的有限元分析金花,孙立功(陕西铁路工程职业技术学院,陕西渭南714000)摘要:针对板梁桥的常见病害形式,采用了横向预应力加固技术并对板梁桥加固前,后建立了有限元模型.通过分析其荷载横向分布规律证明采用横向预应力技术加固板梁桥效果显着.关键词:板梁桥;横向预应力;加固;荷载横向分布中图分类号:U448.212文献标识码:A文章编号:1674—0300(2019)O1—0070—05 O引言据桥梁病害状况调查显示:大量既有高速公路中常用的板梁桥出现了不同程度的结构病害.该类桥梁的损伤与破坏主要表现为桥面板的板间铰缝混凝土完全开裂或脱落,造成板之间的横向联系破坏,导致单板承受车轮荷载作用,一般称这种现象为"单板受力",单板受力严重破坏了桥梁的整体性,降低了桥梁的承载能力,给行车安全带来了隐患.如何采用经济,有效的加固技术预防出现"单板受力"和解决出现的"单板受力"现象已经成为了有关部门亟需解决的问题.1桥梁概况该桥横向由8块空心板组成,板间的横向连接通过铰缝来实现,桥面宽度为l3.25m.板的混凝土标号为C50.本桥采用了横向预应力加固法,加固设计中采用的钢绞线为AsTMA416—90a标准270级高强度低松弛钢绞线,公称直径为15.24mm.全桥横断面如图1所示.13258青cm凝土『I防水混凝土/,]nnIInnIInnIlnnflnnIInnIInnllnl一/,,-一/Y一/一/Y一/,,-一/Y一/,,-一/Y一/一/Y一/一/Y一/\,'一/Y一/一/ll9【16图1全桥的横截面图(单位:cm)通过对钢绞线数量,布置位置的比较得出横向预应力加固法中较为合理,经济的钢绞线的布置方式是:从跨中向两侧垂直于桥的纵向轴线对称布置,顺桥向跨中一束,两端支座附近各一束,共计3束;沿梁高方向横向预应力筋布置在空心板底偏上0.4111处(板的中性轴以下且方便打孔的位置),即在梁体空心处打孔穿筋,预应力筋的两端与两侧边板的相应位置刚性连接形成一体.为保证锚下局部应力不至于过大,在空心板边板侧面应设置具有一定厚度且大小适当的钢板以减少锚下局部应力¨.加固设计中钢绞线张拉力,按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD62---L2019)的规定,为保证锚具不松弛,预应力张拉时实际有效的横向张拉应力在大于钢绞线标准强度的40%范围内某一经济的吨位即可,故设计张拉控制力为129.3kN,已考虑了钢筋回缩,锚具变形及垫板压密,预应收稿日期:2009—09—17作者简介:金花女1981年出生助教}....._一一_【第1期金花等:横向预应力加固板梁桥的有限元分析71力钢绞线应力松弛和孔道摩擦等造成的预应力损失J.2有限元模型的建立利用ANSYS软件对铰接板梁桥建立了空间实体有限元模型【]J.空心板,铰缝均采用空间8节点6面体单元Solid45建模,对于板梁桥的钢筋不予考虑,每个节点有3个平动自由度.由于现浇铰缝混凝土的收缩,铰缝与预制板新老混凝土的粘结性差,铰缝与板基本是分离的,对旧桥尤其如此,而且此缝只是为板的安放而预留的缝,依设计初衷是可以不填充的,,故可以认为板与铰缝只在上缘处连结,而下缘是分离开的.在建立模型时,可将各板与铰缝分开建模,然后耦合板与铰缝上缘的自由度即可.桥面铺装层分上下两层:沥青混凝土为上层,水泥混凝土为下层.上层沥青混凝土层仅作为传力层和保护层,不参与受力,故不需要建立该层的模型而只将其作为恒载来考虑;下层水泥混凝土层与原受力结构即与板共同受力,用实体单元Solid45来建模.预应力钢绞线采用三维杆单元Link8单独建模,杆单元与实体单元之间的联结通过将同一位置的节点对的自由度耦合来实现,预加力采用等效温度荷载来施加.至于有限元模型的边界条件,固定支座以三向约束(,y,z)进行施加;移动支座以z轴自由,轴和y轴固定进行施加.施加的约束位于理论支承线处有限元模型截面的下边缘节点上.在计算模型中,分别在各板的跨中位置中心处施加单位竖向荷载,再根据各板的挠度比例关系求得各板挠度横向分布影响线,以挠度横向分布影响线的平缓程度来探讨荷载的横向分布J.因结构的对称性,仅分析其中4块板的挠度横向分布影响线.3有限元法与铰接板法计算横向分布影响线的对比分析对铰接板桥,在施加横向预应力前,各板间横向联系较弱,可视为铰接,故可根据传统铰接板理论来计算横向分布影响线,并与ANSYS计算的挠度横向分布影响线进行比较.结果分别如图2所示,可知按两种方法所得的影响线差别很小,二者计算结果基本吻合.说明本文计算模型的正确,有限元方法有效,故可采用此方法来计算铰接板桥的横向分布影响线.0?鉴o.0.0.0.00O.180.160.14萄0.120.100.088_04.060.O20.00趔0.180.020.00板的编号(b)2号板图21—4号板铰接法和有限元法的挠度横向分布影响线72石家庄铁道学院(自然科学版)第23卷4对荷载横向分布规律的探讨建立跨径为25m的简支铰接板梁桥的有限元模型,得出图3所示挠度横向分布影响线.从边板到中板挠度横向分布影响线依次平缓,即幅值差逐渐减小,说明荷载作用在边板时不均匀性最严重,当荷载位置逐渐靠近中间时其荷载横向分布趋于均匀.0.24.1宽跨比对荷载横向分布的影响趔n,建立跨径分别为20m,25l'n,30m的简支,铰接板梁桥的有限元模型,3个模型的宽跨比餐.6依次为:0.66,0.53,0.44,分别求得各板对应于不同宽跨比时的挠度横向分布影响…线如图4所示:随着宽跨比的减小即相同条件"下跨径的增大,其挠度横向分布影响线逐渐变的平缓即幅值差逐渐减小,说明其荷载横向分布趋于均匀;相反,相同条件下跨径越小,其荷载横向分布越不均匀.O.3O0.250.200.150.100.O50.200.15蒯警0.100.0512345678板的编号图31—4号板的挠度横向分布影响线O.25O.20蠖0.15蜃0.100.05板的编号fc)3号板板的编号fd)4号板图41—4号板不同宽跨比时的挠度横向分布影响线从力学角度分析,相同条件下跨径越大越接近于细长梁,因此,越有利于荷载的横向分布.4.2斜交角对荷载横向分布的影响建立跨径25m,斜交角为0.,15.,30.,45.的简支铰接板梁桥有限元模型,求得各板对应于不同斜交角时的挠度横向分布影响线如图 5.斜交板梁桥的荷载横向分布规律和相应的正交板梁桥荷载横向分布规律类似,且随着斜交角增大其荷载横向分布逐渐不均匀;当斜交角为l5.时其挠度横向分布影响线与正交板梁桥很接近,故对于斜交角不超过15.的斜交板梁桥可按正交板梁桥来计算,这与规范是相符的.5板梁桥加固效果的评析以各板挠度横向分布影响线竖标值的最大值叼…,最小值叼i的差值△='r/一叼i 在加固前,后的变化A(△)=(△叩加固前一,srt加固后)/,srt加固前作为评价加固效果的指标.第1期金花等:横向预应力加固板梁桥的有限元分析73蠖崮崮图51—4号板不同斜交角时的挠度横向分布影响线5.1宽跨比对加固效果的影响建立跨径分别为2O,25,30m的简支铰接板梁桥的有限元模型,3个模型的宽跨比=b/1依次为:O.66,0.53,0.44,求得对应于不同宽跨比时的加固效率指标如表1所示:随着宽跨比的减小其加固效率逐渐增大,且对于同一宽跨比的板梁桥来说从边板到中板加固效果逐渐增强.5.2斜交角对加固效果的影响建立跨径为25m,斜交角分别为0.,15.,30.,45.的简支铰接板梁桥的有限元模型,求得对应于不同斜交角时的加固效率指标如表2所示:横向预应力加固法对斜交板梁桥同样能取得较好的加固效果,但其加固效果不如正交板梁桥明显;随着斜交角的增大其加固效率逐渐减弱,且对于同一宽跨比的板梁桥来说从边板到中板加固效果逐渐增强.表11—4号板应于不同宽跨比时的A值表21—4号板应于不同斜交角时的A值6结论横向预应力加固法能有效的改善铰接板梁桥的荷载横向分布,增加板间的横向联结,避免单板受力现象,且随着宽跨比的减小其加固效率增大.但斜交板梁桥的加固效果不如正交板梁桥明显,对于同一宽跨比的板梁桥来说无论正交还是斜交,从边板到中板加固效果逐渐增强.参考文献[1]刘来君,赵小星.桥梁加固设计施工技术[M].北京:人民交通出版社,2019.[2]袁伦一,鲍卫刚.JTGD62--2019公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].北京:人民交通出版社,2019.[3]张立明.Algor,Ansys在桥梁工程中的应用方法与实例[M].北京:人民交通出版社,2019.'[4]王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京:人民交通出版社,2019.[5]李国豪.公路桥梁荷载横向分布计算[M].北京:人民交通出版社,1987.(下转第77页)第1期黄建光:模糊数学在轨道交通工程设计方案比选中的应用773结语用模糊数学评价方法对轨道交通设计方案进行评价可以解决评价中的非精确性问题,对主观的概念进行量化,方便了数学的处理,减小了主观判断带来的差异,使结果更为精确,计算过程和结果更符合实际情况.参考文献[1]周红波,赵林,邓绍伦.层次分析法在工程项目风险评估中的应用研究[J].土木工程,2019(增刊):72-77.[2]ShaoRQ.Amulti-levelfuzzysyntheticevaluationoninvestmentprogramsinshipping[J]. TransportationEngineering,2019,144(93):497-502.[3]汪培庄,李洪兴.模糊系统理论与模糊计算机[M].北京:科学出版社,1996.[4]方述诚,汪定伟.模糊数学与模糊优化[M].北京:科学出版社,2019. ApplicationofFuzzyMathematicalTheoryin CityRailTransitProjectDesignOptimizationHuangJianguang(ChinaRailway16thBureauGroupCo.,Ltd.Beijing100018,China)Abstract:Inviewofthecomplicatedfactorsandfuzzycharactersofrailtransitprojectdesign,t hefuzzymathematicaltheoryisusedtochoosetheoptimaldesign.Firstly,theweightoftheevaluatingi ndexesiscalcu-lated,then,themembershipdegreeofindextoevaluatingrankiscalculated.Therankofdesign scanbeob—tainedbytakingweightandmembershipdegreeintoFuzzyComprehensiveAssessmentmod e1.Bycomparingthecalculationresults,theoptimaldesigncanbedetermined.Atlast,apracticalexampleisstudie dtodemonstratetherationalityandvalidityofthemode1.Keywords:railtransitproject;analytichierarchyprocessmethod;fuzzymathematics;desig noptimization(上接第73页) FEMAnalysisofPlateGirderBridgeTransverselyStrengthenedbyPre-stressJinHua,SunLigong(ShanxiRailwayInstitute,Weinan714000,China)Abstract:Aimingatthedefectsofplategirderbridges,thetechniqueoftransversepre—stressingtechniqueisadoptedandthesimulatedmodelsareestablished.Throughtheanalysisofthetransversedistri butionofloadsontheplategirderbridge,itisprovedthatthepre—stressingstrengtheningmeasurenoticeablyimprovestheplategirderbridge.Keywords:plategirderbridge;transverselypre—stressing;strengthening;transversedistributionofloads。

#结构#抗震#文章编号:1009-6825(2005)02-0013-03ANSYS 对预应力钢筋混凝土梁结构的有限元分析收稿日期:2004-10-23作者简介:孙华安(1974-),男,昆明理工大学在读硕士,云南昆明 650093屈本宁(1956-),男,1982年毕业于昆明理工大学力学专业,教授,昆明理工大学,云南昆明 650093黄光玉(1978-),男,昆明理工大学在读硕士,云南昆明 650093孙华安 屈本宁 黄光玉摘 要:应用通用有限元软件A NSYS 对预应力钢筋混凝土梁的非线性性能进行了数值模拟,并讨论了钢筋和混凝土的本构方程、破坏准则、预应力施加和收敛准则等问题,对该梁在预应力条件下、没有施加预应力但受荷载作用、施加了预应力并受荷载作用这三种工况下所得的数值模拟挠度解作了分析;同时将荷载作用下的该预应力混凝土梁的有限元模型挠度解与按结构规范计算的挠度结果作了比较,指出利用AN SY S 对预应力钢筋混凝土作有限元分析是可行的。

关键词:预应力,钢筋混凝土梁,AN SYS,有限元,挠度中图分类号:T U 375.01文献标识码:A引言预应力钢筋混凝土梁结构是当今土木工程中应用相当广泛的一种结构,由于它是由钢筋和混凝土两种材料组成,在荷载作用下的结构反应是相当复杂的,传统的基于大量试验资料的结构力学的结构设计方法很难计算出其结构反应。

自从1967年D.Nego 和司谷特拉思A.C.Scor delis 把有限元应用于钢筋混凝土的结构分析以后,有限元法逐步成为分析钢筋混凝土结构内部微观机理的极有力的工具。

其中AN SY S 软件就础平台,其设计应充分考虑小区信息流量的需求,以满足21世纪宽带多媒体信息交互的要求,同时应具备可管理性、可扩展性和可维护性。

3 思考与建议3.1 智能住宅小区的建设应突出/以人为本0[3]/人0是住宅小区的主体,住宅小区建设应紧紧围绕着人们的实际需求,以实用、简洁、便利、安全为原则,同时照顾到不同文化层次、不同年龄住户的需要,满足/居住0这一特定的使用功能,在这一特定的功能上真正实现家庭的智能化。