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摘要：利用体外预应力来进行先简支后连续结构的后连续段的二次张拉以其施工快捷的优势定会具有广阔的应用前景。其结构体系较为复杂，设计涉及的问题较多。本文利用大型通用有限元软件ANSYS来对先简支后连续梁进行全过程数值模拟。
关键词：非线性分析，简直，连续，应力
1 基于ANSYS的预应力混凝土梁的数值模拟
通常钢筋混凝土结构的有限元模型主要有三种方式：分离式、整体式、组合式。而利用ANSYS分析时，主要利用分离式和整体式两种模型。
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縫的，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实效与滑移，所以此种模型的应用最为广泛。
整体式模型也称为分布式模型或弥散钢筋模型，即将钢筋连续均匀分布于整个单元中，它综合了混凝土与钢筋对刚度的贡献，其单元仅为SOLID65，通过参数设定钢筋分布情况。
通常混凝土裂缝的处理方式有离散裂缝模型、分布裂缝模型和断裂力学模型。对于分离式和整体式有限元模型，ANSYS则均采用分布裂缝模型的处理方式。
分离式模型的优点是可以考虑钢筋和混凝土之间的粘结和滑移，而整体式模型则无法考虑粘结和滑移，认为混凝土和钢筋之间粘结很好是刚性连接。就建模和计算而言，分离式模型建模复杂，尤其是钢筋较多且布置复杂时，且计算不易收敛，但其结构更加符合实际；而整体式模型建模简单，计算易于收敛，但其结果较分离式模型粗略。对于实际钢筋混凝土结构，由于结构构件多且钢筋布置复杂，建议采用整体式模型进行分析，其结果也足够精确；对于单个构件要考虑其他因素影响时，可采用分离式模型进行分析，以便于数值试验或试验结构进行对比分析，从而获得参数分析结果。
2 预应力混凝土T梁的数值模拟
在ANSYS中建立分离式有限元模型，混凝土采用SOLID65单元，普通钢筋采用LINK8单元，预应力筋采用LINK10单元，不考虑钢筋和混凝土之间的粘结滑移。创建分离式模型时，将几何实体以钢筋位置切分，划分网格时将实体的边线定义为钢筋即可。加载点以均布荷载近似代替钢垫板，支座处采用线约束。考虑到模型的对称性，创建1/2模型。
模型材料采用《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2002）规定的强度设计值。取用合理的混凝土本构关系
应用体外预应力筋进行后连续段的连接有限元模型见图(2-1)。
图2-1体外预应力筋进行后连续梁数值模型
3 数值分析模型结果
应用数值模拟的方式对先简支后连续梁进行加载模拟。通过ANSYS对先简支后连续梁的非线性分析，模拟了结构体系转换的全过程。并对结构从加载到破坏进行了全过程的模拟。下面给出梁加载过程中在典型阶段梁体的挠度、裂缝、控制截面混凝土应力等。
表3-1梁的开裂与极限荷载 (kN)
工况 跨中开裂荷载 内支座开裂荷载 极限荷载
荷载 62.5 83.4 242.8
3.1各工况下梁体的挠度图
图3-1 梁体在预应力及自重状态下的挠度图
图3-2梁体在跨中开裂时的挠度图
图3-3梁体体内支座处开裂时的挠度图
3.2各工况下梁体控制截面处的应力图
图3-4 梁体在预应力及自重状态下的应力云图
图3-5梁体在跨中开裂时的应力云图
图3-6 梁体内支座处开裂时的应力云图
图3-7梁体极限状态下的应力云图
4 结论
由于混凝土的强度较高，梁体破坏时形成以受压区为支点的塑性铰，受压区混凝土没有压碎破坏。而且在卸载以后，在预应力筋的高强度作用下，梁的变形大部分得到恢复。这说明体外预应力高强度混凝土梁的截面破坏特征主要表现为普通钢筋屈服和混凝土开裂。
参考文献
[1]公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范JTG D62—2004 北京：人民交通出版社 2004
[2]混凝土结构设计规范GB50012—2002北京：中国建筑工业出版社 2002
[3]桥梁体外预应力设计技术 徐栋 人民交通出版社2008
[4]陈精一 蔡国忠 电脑辅助工程分析ANSYS使用指南[M].北京 中国铁道出版社 2001
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：非线性分析，简直，连续，应力
1 基于ANSYS的预应力混凝土梁的数值模拟
通常钢筋混凝土结构的有限元模型主要有三种方式：分离式、整体式、组合式。而利用ANSYS分析时，主要利用分离式和整体式两种模型。
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縫的，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实效与滑移，所以此种模型的应用最为广泛。
整体式模型也称为分布式模型或弥散钢筋模型，即将钢筋连续均匀分布于整个单元中，它综合了混凝土与钢筋对刚度的贡献，其单元仅为SOLID65，通过参数设定钢筋分布情况。
通常混凝土裂缝的处理方式有离散裂缝模型、分布裂缝模型和断裂力学模型。对于分离式和整体式有限元模型，ANSYS则均采用分布裂缝模型的处理方式。
分离式模型的优点是可以考虑钢筋和混凝土之间的粘结和滑移，而整体式模型则无法考虑粘结和滑移，认为混凝土和钢筋之间粘结很好是刚性连接。就建模和计算而言，分离式模型建模复杂，尤其是钢筋较多且布置复杂时，且计算不易收敛，但其结构更加符合实际；而整体式模型建模简单，计算易于收敛，但其结果较分离式模型粗略。对于实际钢筋混凝土结构，由于结构构件多且钢筋布置复杂，建议采用整体式模型进行分析，其结果也足够精确；对于单个构件要考虑其他因素影响时，可采用分离式模型进行分析，以便于数值试验或试验结构进行对比分析，从而获得参数分析结果。
2 预应力混凝土T梁的数值模拟
在ANSYS中建立分离式有限元模型，混凝土采用SOLID65单元，普通钢筋采用LINK8单元，预应力筋采用LINK10单元，不考虑钢筋和混凝土之间的粘结滑移。创建分离式模型时，将几何实体以钢筋位置切分，划分网格时将实体的边线定义为钢筋即可。加载点以均布荷载近似代替钢垫板，支座处采用线约束。考虑到模型的对称性，创建1/2模型。
模型材料采用《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2002）规定的强度设计值。取用合理的混凝土本构关系
应用体外预应力筋进行后连续段的连接有限元模型见图(2-1)。
图2-1体外预应力筋进行后连续梁数值模型
3 数值分析模型结果
应用数值模拟的方式对先简支后连续梁进行加载模拟。通过ANSYS对先简支后连续梁的非线性分析，模拟了结构体系转换的全过程。并对结构从加载到破坏进行了全过程的模拟。下面给出梁加载过程中在典型阶段梁体的挠度、裂缝、控制截面混凝土应力等。
表3-1梁的开裂与极限荷载 (kN)
工况 跨中开裂荷载 内支座开裂荷载 极限荷载
荷载 62.5 83.4 242.8
3.1各工况下梁体的挠度图
图3-1 梁体在预应力及自重状态下的挠度图
图3-2梁体在跨中开裂时的挠度图
图3-3梁体体内支座处开裂时的挠度图
3.2各工况下梁体控制截面处的应力图
图3-4 梁体在预应力及自重状态下的应力云图
图3-5梁体在跨中开裂时的应力云图
图3-6 梁体内支座处开裂时的应力云图
图3-7梁体极限状态下的应力云图
4 结论
由于混凝土的强度较高，梁体破坏时形成以受压区为支点的塑性铰，受压区混凝土没有压碎破坏。而且在卸载以后，在预应力筋的高强度作用下，梁的变形大部分得到恢复。这说明体外预应力高强度混凝土梁的截面破坏特征主要表现为普通钢筋屈服和混凝土开裂。
参考文献
[1]公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范JTG D62—2004 北京：人民交通出版社 2004
[2]混凝土结构设计规范GB50012—2002北京：中国建筑工业出版社 2002
[3]桥梁体外预应力设计技术 徐栋 人民交通出版社2008
[4]陈精一 蔡国忠 电脑辅助工程分析ANSYS使用指南[M].北京 中国铁道出版社 2001
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。