基于ANSYS的钢管混凝土加固应力分析

'施工技术基于ANSYS的钢管混凝土加固应力分析Stress　analysis　of　large　diameter　steel　tube　reinforced　concrete　based　on　ANSYS　王　博(陇东学院土木工程学院黄土工程性质及工程应用省级重点实验室，甘肃　庆阳　745000)摘　要：大直径钢管混凝土的加固，存在着新旧混凝土结合，混凝土与钢管表面相结合共同受力的加固难题，通过有限元程序的辅助计算分析能够更好地揭示混凝土与钢管的相互作用。ANSYS中单元Solid65为型钢混凝土结构有限元数值模拟提供了基础，逐渐成为型钢混凝土结构理论研究和工程应用的常用工具软件。但是如何处理型钢和混凝土加载后的共[1]同受力是一个有限元数值模拟的难点，如何准确的模拟二者的共同受力是有限元分析结果准确与否的关键。关键词：钢管混凝土；加固；有限元Abstract:Reinforced　concrete　large　diameter　steel　tube,there　exists　a　combination　of　new　and　old　concrete,the　concrete　and　steel　surfaces　in　combination　problem　of　reinforced　stress　together,through　the　auxiliary　program　of　finite　element　calculation　and　analysis　of　the　interaction　can　better　reveal　the　concrete　and　steel　tube.　Provides　the　basic　unit　type　Solid65　in　ANSYS　embedded　into　finite　element　numerical　simulation　of　steel　reinforced　concrete　structure,steel　reinforced　concrete　structure　is　gradually　becoming　the　theoretical　research　and　engineering　application　of　commonly　used　software　tools.But　how　to　deal　with　the　type　of　steel　and　concrete　after　loading　the　joint　force　is　a　finite　element　numerical　simulation　of　the　difficulties,how　to　accuratelysimulate　two　common　stress　finite　element　analysis　to　the　key　result　is　accurate　or　not.Key　words:concrete　filled　steel　tube；reinforcement；finite　element中图分类号：TU398.9　文献标识码：B　文章编号：1003-8965(2015)01-0077-031工程概况2.1材料模型槽钢混凝土结构数值模拟中槽钢和钢支座垫板可采某桥主桥为曲弦下承式钢管混凝土桁梁拱桥，主桥用MKIN模型，单轴应力应变关系采用多折线型；纵筋和上弦（曲弦拱肋）采用大直径钢管混凝土结构。根据现场横向箍筋采用BKIN模型混凝土材料模型在单调加载受力外观调查及试验检测发现该桥存在较严重的病害，需维修情况下，按照非线性弹性材料模型(MELAS材料模型)输加固。然而，维修加固大直径钢管混凝土存在着新旧混凝入。该模型能较好反映混凝土应力-应变曲线下降段。土结合，混凝土与钢管表面相结合共同受力的难题。下承混凝土破坏准则采用ANSYS程序中混凝土材料默认的[2]式拱桥的拱脚受力复杂，在拱桥的加固中为了提高受力性William-Warnke五参数破坏准则。能，经常外包混凝土，其特点是拱肋为大直径钢管。该桥2.2单元类型拱脚的钢管直径为1.4m，为了提高加固性能，在原钢管混凝土采用Solid65单元。当solid65单元同时考虑上焊接槽钢剪力钉以保证外包混凝土和钢管能够很好地结开裂和压碎时，需要缓慢施加荷载，在一般情况下可关合。由于拱肋直径1.4m，钢绞线无法避开拱肋，只能穿闭Solid65单元的压碎功能(将混凝土单轴受压强度设为过拱肋。这就要求在拱肋上钻孔，势必削弱拱肋的刚度。-1)，否则计算较难收敛。槽钢和钢支座垫板采用Solid45[2][5]在预应力的作用下拱肋钢材可能产生屈服或拱肋内混凝土单元模拟。产生拉裂或压碎。拱肋与系梁的斜交角度约为25度。梁2.3槽钢剪力钉和混凝土的粘结滑移模拟端混凝土块在强大的纵向预应力的作用下，如不能与拱肋在槽钢混凝土结构有限元分析中，为考虑槽钢混凝良好结合，可能会产生滑移，也可能产生强度破坏。为保土粘结滑移行为，引入连接单元，同时需要确定槽钢混凝证梁端锚固混凝土块与拱肋结合良好，在拱肋表面焊接了土粘结滑移本构关系,槽钢混凝土粘结滑移连接单元采用6排10a槽钢，每排槽钢分为三段。布置如图1所示。非线性弹簧单元Combination39。该单元具有两个结点，只需通过定义弹簧单元的实常数F-D曲线来定义非线性弹簧的受力性质。对于单向弹簧，弹簧长度可以为零，这为模拟槽钢混凝土粘结滑移提供可能。在槽钢和混凝土连接面上每一对对应结点之间采用由三个Combination39单图1　拱脚加固示意图元形成的三维连接单元模拟槽钢混凝土之间的相互作用，三个弹簧单元分别代表连接面上沿法向、纵切向和横切向2拱脚有限元建模的槽钢混凝土相互作用，单元长度均为零。法向：法向弹簧系数可取一大值(近似取混凝土的弹性模量)：在第三77 施工技术象限内取斜率很大的斜直线，在第一象限内近似为D轴，一主应力和第三主应力。以模拟法向不抗拉的特点。横切向：对于槽钢翼缘和腹板图5为拱肋钢管的第一主应力云图，拱肋钢管主拉[2]应该分别考虑。应力最大值为25.9MPa，产生在拱肋内侧面与系梁顶面结2.4网格划分及单元生成合处。在确定混凝土、槽钢、纵筋及箍筋在ANSYS程序中图6为拱肋钢管的第三主应力云图，拱肋钢管主压的单元类型、材料性质后，则可以建立考虑粘结滑移的槽应力最大值为54.3MPa，产生在拱肋外侧面与锚固混凝土[3]块顶面结合处。主拉应力和主压应力最大值均远小于钢材钢混凝土梁ANSYS分析模型。采用以下步骤建立模型[4]的屈服强度，拱肋钢管不会产生强度破坏。如图2所示。(1)选择单元类型，并设置单元类型关键参数；槽钢的第一主应力云图见图7，第三主应力云图见图(2)确定材料的材料性质，输入相关参数；8。槽钢的主拉应力最大值为118.7MPa，主压应力最大(3)将非线性弹簧单元对应的实常数输入，并进行详值为49.0MPa。主拉应力和主压应力最大值均远小于钢材细检查；的屈服强度，不会产生强度破坏。焊接10a槽钢能将锚固(4)建立槽钢混凝土梁试件的ANSYS模型，单元划分，块的应力有效的传递到拱肋上。综上所述，加固纵向预应分析计算。力钢筋在系梁梁端的锚固构造是合理的。图3　纵向预应力引起的锚固区第一主应力云图　　　图2　有限元模型3钢管混凝土有限元分析采用ANSYS大型通用有限元分析程序建立了拱脚段的实体模型。模型中除腹杆钢管采用Shell63　壳单元划。局部模型是整体桥梁结构的一部分，其边界条件的模拟一个难点。本次分析只考虑加固纵向预应力引起的锚固区的图　4　纵向预应力引起的锚固区第三主应力云图应力场，研究各构件是否出现应力集中现象。因此系梁（包括加固混凝土系梁）的右端约束了三个平动和三个转动自由度，左端约束了竖向的平动自由度。力的边界条件没有施加。提取了该模型的第一主应力云图和第三主应力云图。对拱肋钢管和焊接10a槽钢这些容易产生应力集中的构件进行了详细提取和分析。图3为锚固区第一主应力云图，拱脚锚固区主拉应力最大值为29.6MPa。锚固块混凝土主拉应力较大，主要原因是预应力锚固在两侧，锚固块的横向应力较大。过大的横向应力可能引起锚固块的劈裂，所以一定要配置足够图　5　加固纵向预应力引起的拱肋钢管第一主应力云图　的横向钢筋。图4为锚固区第三主应力云图。从图中可以看出，锚下、锚固块与拱肋钢管结合处、系梁右端产生了较大的主压应力，最大值为89.9MPa，远小于钢材的屈服强度。详细提取了拱肋钢管和焊接在拱肋钢管上的　10a　槽钢的第78 施工技术4结　语采用　ANSYS　程序对大直径钢管混凝土拱脚进行加固有限元数值模拟，并对分析结果进行了分析，得出以下结论：1)考虑了粘结滑移的有限元应力分析比一般的钢筋　图　6　纵向预应力引起的拱肋钢管第三主应力云图混凝土整体式建模更能有效的得出准确的分析结果，是分析大体积型钢混凝土的有效手段。2)拱脚的加固过程当中，焊接在拱肋上的槽钢对钢-混凝土的结合起到至关重要的作用，对于槽钢剪力键的合理设置，才能使得拱脚的加固有效。参考文献[1]王玉银.圆钢管高强混凝土轴压短柱基本性能研究，哈尔滨工业大学博士学位论文，2003:135-139.　图　7　纵向预应力引起的槽钢第一主应力云图[2]杨　勇,郭子雄,聂建国,赵鸿铁.型钢混凝土结构ANSYS数值模拟技术研究，工程力学Vol.23　No.4.[3]杨勇.型钢混凝土粘结滑移基本理论及应用基础研究[D].西安:西安建筑科技大学,2004.　[4]白国良,秦福华.型钢钢筋混凝土原理与设计[M].上海:科学技术出版社,2000.　[5]司炳军,孙治国,谢永杰.ANSYS软件在无粘结预应力混凝土箱梁承载力分析中的应用，四川建筑科学研究.图8　加固纵向预应力引起的槽钢第三主应力云图（上接第74页）饰材料，颜色可选、色泽可选、质地可选，性能突出，具通过改进技术和加工工艺，完全可以焕发出新的活力。例有优异的环保、防火等特点，因此设计师知道后大量的应如竹子，大家都知道是一种生长很快的木制材料，其特点用。比较显著的例子就是北京首都国家机场航站楼。功能遇水变形，过去很少有人敢用竹子作为装饰材料。但是随性涂料，它具有吸附甲醛、吸湿吸潮、色泽鲜艳等特点，着技术进步、工艺改进，彻底解决了竹子的这些弱点，复得到了广泛的应用。镀膜玻璃，比起传统玻璃要优越的多，合加工后，既不变形、还防水、隔潮、使用更加长久，力防止各种有害光进入室内，还有防爆的特质，应用也很广学性能非常优异。现在已经广泛应用于装饰材料，甚至于泛。还有夹层中空玻璃，具有隔音昉噪保温等特点，使人大量应用于菜板。当然还涌现了很多性能优异装饰材料，们生活的更加惬意。在此就不一一例举了。4.2传统材料的创新应用尽管现在有很多新型装饰材料，但是也不要忽略对参考文献传统材料的应用，这样不仅体现了对于中国文化的传承，同时在满足功能的前提下，也是一种简约和节能的应用。[1]田源、杨冬　装饰材料设计与应用，中国建筑工业但同时，也不要墨守成规，要与时俱进，在不放弃出版社，2006.4对传统材料应用的同时，要大量使用达标新型材料，使之完美结合才是发展方向。有很多传统材料仍然是新材料很好的原材料基础。79'