ANSYS——预应力施加方法

ANSYS——预应力施加方法各家汇集

拜年帖1-----预应力混凝土分析中等效荷载法与其它 作者：三月雨

众所周知，在ANSYS中，预应力混凝土分析(有粘结)可采用等效荷载法和实体力筋法。所谓等效荷载法，就是将力筋的作用以荷载的形式作用于混凝土结构；所谓实体力筋法就是用solid模拟混凝土，而link模拟力筋。

1 等效荷载法的优缺点

优点是建模简单，不必考虑力筋的具体位置而可直接建模，网格划分简单；对结构的在预应力作用下的整体效应比较容易求得。

其主要缺点是：

①等效荷载法没有考虑力筋对混凝土的作用分布和方向，力筋对混凝土作用显然在各处是不同的，等效荷载法则无法考虑；水平均布分量没有考虑。

②对某些线形的力筋模拟困难，例如通常采用的是直线(较短)＋曲线＋直线(很长)＋曲线＋直线(较短)，这种形式的布筋等效起来麻烦，且可能不合理。

③难以求得结构细部受力反映，否则荷载必须施加在力筋的位置上，这又失去建模的方便性。

④在外荷载作用下的共同作用难以考虑，不能确定力筋在外荷载作用下的应力增量。

⑤对张拉过程无法模拟。

⑥无法模拟应力损失引起的力筋各处应力不等的因素。

其最大的一个缺点是：较粗！得到的结果与实际情况误差较大！最近做了点实际计算，经过比较发现，结果与实际的误差相差较多(可能是特例)，所以采用该方法需要谨慎和校验一下。

2 实体力筋法的优缺点

将混凝土和力筋划分为不同的单元，预应力的模拟可以采用降温方法和初应变方法。降温方法比较简单，同时可以模拟力筋的损失，单元和实常数几种即可；初应变通常不能考虑预应力损失，否则每个单元的实常数各不相等，工作量较大。

可消灭等效荷载法的缺点。但建模工作量似乎要大些。

拜年帖2-----预应力混凝土分析中实体力筋法的ansys处理过程

有两种处理方法，一是体分割法，二是采用独立建模耦合法。

1 体分割法

用工作平面和力筋线拖拉形成的一个面，将将体积分割(divide)，分割后体上的一条线定义为力筋线。这样不断分割下去，最终形成许多复杂的体和多条力筋线，然后分别进行单元划分，施加预应力、荷载、边界条件后求解。这种方法是基于几何模型的处理，即几何模型为一体，力筋位置准确，求解结果精确，但当力筋线形复杂时，建模特别麻烦。

2 独立建模耦合法

该法的基本思想是实体和力筋独立建几何模型，分别划分单元，然后采用耦合方程将力筋单元和实体单元联系起来，这种方法是基于有限元模型的处理。其基本步骤如下：

①建立实体几何模型（不考虑力筋）；

②建立力筋线的几何模型（不考虑体的存在）；

③将几何模型按一定的要求划分单元（这时也是各自独立的）；

④选择所有力筋线；

⑤选择与上述力筋相关的节点(nsll命令)，并定义选择集；

⑥将上述力筋节点存入数组；

⑦选择所有节点，并去掉⑤中的节点集(这时是除力筋节点外的所有节点)；

⑧按力筋节点数组搜寻所有最近的实体节点号，并存入数组中；

⑨耦合力筋节点与最近的节点，一一耦合(cp命令)（不能使用cpintf命令，这样可能耦合其它节点，且容易不耦合）

⑩选择所有，并施加边界条件和荷载，可以求解了。

这种方法建模特别简单，耦合处理也比较简单(APDL要熟悉些)，缺点是当实体单元划分不够密时，力筋节点位置可能有些走动，但误差在可接受范围之内！这种方法是解决力筋线形复杂且力筋数量很多时的较佳方法。

预应力简支梁弹性分析--体线独立耦合法示例

!-----------------------------------------

/prep7

eg=2e5

ag=140

eh=4e4

r0=9345

yyl=200000

et,1,link8

et,2,solid95

r,1,ag,yyl/eg/ag*1.036258

r,2

mp,ex,1,eg

mp,prxy,1,0.3

mp,ex,2,eh

mp,prxy,2,0.2

blc4,,,100,200,3000

/view,1,1,1,1

/ang,1

vplot

!------------定义力筋线

ksel,all

*get,kp0,kp,0,num,max

lsel,none

k,kp0+1,50,160

k,kp0+2,50,160,3000

k,kp0+3,50,800,1500

larc,kp0+1,kp0+2,kp0+3,r0

kdele,kp0+3

*get,line1,line,0,num,min

!-------------定义约束

lsel,s,loc,z,0

lsel,r,loc,y,0

dl,all,,uy

lsel,s,loc,z,3000

lsel,r,loc,y,0

dl,all,,all

allsel,all

!-----------单元划分

lsel,s,,,line1

latt,1,1,1

lesize,all,,,50

lmesh,all

vsel,all

vatt,2,2,2

lsel,s,loc,z,0

lsel,r,loc,y,10,140

lesize,all,,,8

lsel,s,loc,z,0

lsel,u,loc,y,10,140

lesize,all,,,4

lsel,s,loc,y,0

lsel,r,loc,x,0

lesize,all,,,50

vsweep,all

allsel,all

!耦合自由度

lsel,s,,,line1

nsll,s,1

cm,cmljnod,node

*get,max1,node,0,count

*dim,ojd,,max1

*dim,jd,,max1

*get,nod1,node,0,num,min

ojd(1)=nod1

*do,i,2,max1

ojd(i)=ndnext(ojd(i-1))

*enddo

allsel,all

nsel,all

cmsel,u,cmljnod

*do,i,1,max1

nod1=ojd(i)

j=nnear(nod1)

jd(i)=j

*enddo

nsel,all

ji=1

*do,i,1,max1

cp,ji,ux,ojd(i),jd(i)

cp,ji+1,uy,ojd(i),jd(i)

cp,ji+2,uz,ojd(i),jd(i)

ji=ji+3

*enddo

allsel,all

ji=

i=

max1=

nod1=

ojd=

jd=

j=

ag=

eg=

eh=

kp0=

r0=

yyl=

line1=

finish

/solu

solve

finish

/post1

pldisp,1

etable,sigi,ls,1

plls,sigi,sigi,1

模拟预应力主要分为两大块：一．模拟预应力的张拉过程；二．模拟预应力在结构中的作用．

对于一比较复杂，需要考虑摩擦，主要问题是参数的选取，而不是如何建立模型的问题，具体参数需要大量的试验才能确定．

对于二是结构分析比较关心的问题，不论采用耦合、共用节点，约束方程，主要问题是力的传递路径是否正确，以及预应力的分布是否正确。对于体外索，整根预应力束应力相同，可以采用统一的初始应变，或着降温，中间节点在和转向器连接的地方放松纵向自由度，径向同转向器节点耦合。而对于体内束，不管先张、后张，结构形成以后预应力和混凝土已经固节（除非你分析极限承载力，考虑滑移），预应力节点和混凝土节点应该完全耦合。其主要问题是整个预应力束的预应力分布如何模拟，施加分段初应变是可取的，但是比较繁琐（但完全可以很好的控制）。

还有一个问题，就是初应变的大小如何确定，实际上，确定初应变的大小就是模拟张拉的一个过程，我们最终要的是存留值，要想精确模拟所以必须通过反复调整初应变来模

拟混凝土梁的弹性压缩损失。

还有“有限元梁杆组合结构分析方法”

分别用梁单元模拟混凝土梁,用杆单元模拟预应力筋.梁与杆之间的连接方式采用刚臂或约束方程,即梁两端为固接,杆两端为铰接,确保在杆上施加的预应力可以传递到梁两端,同时梁的变形对预应力的影响也可以通过杆表现出来,由此形成钢筋混凝土梁的梁杆组合结构.

预应力通过初应变或降温法使杆产生收缩应变以模拟预应力筋张拉,杆收缩对梁的轴力和弯矩作用可通过约束方程或刚臂传递到梁两端.设杆轴力为T,则对梁两端的轴力和弯矩分别为

F=T; M=Ta.

梁杆组合结构分析方法的实质是利用杆施加预应力取代等效载荷,这样不仅可以解决梁截面特性随预应力筋的加入而改变的问题,而且使预应力效应可以动态响应结构变化.这种方法比等效载荷法更接近实际,精度更高.

预应力筋张拉模拟采用降温法模拟预应力张拉.对先张法预应力混凝土,一次降温可模拟张拉过程;对后张法预应力混凝土,由于降温模拟张拉过程中结构会发生相应变化,因此一次降温模拟难以达到预期张拉力,可以通过降温迭代方法来达到预期值.而对于弹性压缩损失,则可利用单元生死技术模拟分批张拉有效计入

个人愚见：

等效荷载做分析，对于直线筋，模型整体分析显然是适用的，做局部分析也可以；对于曲线筋无法模拟损失及应力分布情况，不适用。

温度模拟预应力实际上是有问题的，从计算理论上可知，即使对于不考虑摩察损失的直线筋，若钢筋与梁体分离仅仅梁端耦合，本质上与等效荷载法完全一致；若不只是梁端耦合，那么降温过程，无法模拟张拉钢筋的滑移，对于曲线筋，无法模拟预应力钢筋的损失及梁体受到切向摩察的应力分布情况，所以应该说用温度模拟预应力是有很大的问题的。

初应变模拟钢筋与温度类似，若要研究梁体局部应力分布情况，与降温法一样无法模拟。模拟出的结论对梁的跨中截面而言可能正确的，但离开跨中，有摩察和滑移地方不正确，并且越离跨中远误差越大。

所以很多分析都是针对跨中数据的检验，好像正确（跨中刚好对称），若对离开跨中一段距离进行分析，就会发现不正确。所以若要对梁体进行局部应力分布分析，要考虑滑移和摩察的切向影响后，就会发现问题。

所以实际用ANSYS计算的预应力效果不如用结构设计原理和规范计算结果准确。桥梁博士是采用设计原理和规范计算方法，所以比较准确。

正在做连续梁桥的悬臂施工仿真分析,对于三向预应力钢筋的模拟是一个很关键的问题,总结了一些自己的体会.

1;用面面切割体生成线是很方便也是比较理想的,能准确的模拟力筋的位置,对线型把握得很好,但要考虑一个问题就是在力筋线很多,而模型本身又不是很规整的情况下会造成切割成太多的小实体(比如横向,竖向的钢筋靠得很近而且又多),在分网的时候就会出现问题

以致没法做下去.

2:等效荷载法是一种很传统的方法,很多桥梁分析软件在考虑预应力的时候是在平面杆系结构中用等效荷载来做的..我觉得在做整体分析是用它来分析应该是可以的.要做局部分析的话,不是很好;比如在做箱梁分析的时候,纵向的预应力钢筋长而且线型复杂.用这种方法是不行的.而在考虑竖向钢筋的时候,直筋而且不是很长,(LMAX=4M)采取等效荷载法来做.

3: 当预应力筋的线型比较复杂,实体和预应力筋单独建模,分网,用约束方程法来做不错,我在考虑腹板的纵向预应力筋的时候就是这样来做的

4;在同一个模型中结合上面的三种方法来做,说来也是没办法啊,在用方法一实在是做不下去了,就用综合后面的方法来做,不过最后还算可以.

5;预应力的损失如何算,就按规范来做吗,可不可以用ANSYS来做这方面的分析,希望有更多的人来探讨

6.一点拙见,希望各位指教.

在ansys中施加预应力好像是个蛮重要的问题，希望大伙能仁者见仁智者见智。

我先说两句：

１．在构件表面可以加等效荷载，现在好像一般都采用这种方法。

２．把预应力筋的位置从混凝土体中挖去，然后在在洞口的表面上加上荷载，适于精确分析。这种方法我正在尝试，但比较繁，而且网格划分会很密，不适宜做整体的分析，

但可用于局部分析。

３．加温度荷载。在预应力筋处降温，产生收缩，施加当量的预应力，这种方法目前正在尝试。请高手多多指教！

在一篇论文中有这样的描述：墙板，环梁，底板均采用ANSYS提供的三维实体SOLID65进行分析，预应力钢绞线采用连接元LINK8，此单元有拉伸压缩刚度，无抗弯刚度。划分单元时候，使LINK8元的节点和SOLID65元的节点置空间同一点。空间同点上的二节点在线单元LINK8垂直平面内的位移，利用约束方程处理为相同，而二节点沿线元纵向的位移各自独立。LINK8元和SOLID65元空间同点节点的约束方程处理，正确反映了后张预应力施工时候，钢绞线只能沿墙纵向相对滑移而不会走离墙中心位置饿真实过程。

It depends what do you want.

If you want to determine the stress distribution at EACH stage you apply the loads, I advice you use link element with initial strain.

If you want to decide the stress distributon ONLY at the service load stage, I think it will be easier to use eqal load method.

If you want to design the structure at ultimate limit stage, maybe you can even igonre the effect of prestress, because all the reinforcement have reached their strength. (Of course you can include the seconde order moments and shears).

用温度应力代替预应力是可行的.

可能也是最好的模拟预应力方法.

可以做几个习题试一下

在ANSYS中通过变温施加预应力是一种简便实用的手段。先将预应力筋的形状用LINK单元表示好（转折处用约束方程规定），不必担心单元的重叠，然后根据需要定义LINK单元的线胀系数及其温变（其它单元不要规定温变）。

尝试计算一次，核对一下LINK单元的应力是否满足精度（因为相连的其它单元会一起变形），调整一两次就可以了

还有一个办法,就是直接加预应力荷载. 在solution中,有一个apply initial stress 的命令.不过好像只能用于部分单元:link180,beam188,beam189,etc...

预应力混凝土的分析方法可分为两大类：其一是将力筋的作用以荷载的形式作用于结构即所谓的等效荷载法，其二是力筋和混凝土分别用相应的单元模拟，预应力通过不同的模拟方法施加称之为实体力筋法，这两种方法都可根据不同的分析目的或需要而采用不同的单元进行模拟。

等效荷载法可采用的单元形式主要有beam 系列shell系列和solid系列,考虑到该方法的特点,一般作为结构受力分析或施工过程控制可采用beam 和shell系列单元,而使用solid单元系列则比较少。

等效荷载法的优点是建模简单，不必考虑力筋的具体位置而可直接建模，网格划分简单。对结构在预应力作用下的整体效应比较容易求得。其主要缺点是：

1、无法考虑力筋对混凝土的作用分布和方向。曲线力筋对混凝土作用在各处是不同的，等效时没有考虑，而水平分布力也没有考虑。

2、在外荷载作用下的共同作用难以考虑，不能确定力筋在外荷载作用下的应力增量。

3、难以求得结构细部受力反应，否则荷载必须施加在力筋的位置上，这又失去建模的方便性。

4、张拉过程难以模拟，且无法模拟由于应力损失引起力筋各处应力不等的因素。

5、细部计算结果与实际情况误差较大，不宜进行详尽的应力分析。

实体力筋

实体力筋法中的实体可采用的单元有shell系列和solid系列,对混凝土结构一般采用solid系列比较好。在弹性阶段应力分析中，可采用弹性的solid系列，而要考虑开裂和极限分析，可采用专为混凝土模拟的solid65单元。而力筋可采用link单元系列。

预应力的模拟方法有降温法和初应变法，降温方法比较简单，同时可以设定不同位置的预应力不等，即能够对应力损失进行模拟；初应变法通常不能考虑预应力损失，否则每个单元的实常数各不相等，工作量较大。这种方法可消除等效荷载法的缺点，对预应力混凝土结构的应力分析能够精确地模拟。实体力筋法在建模处理上有三种处理方法，即实体分割法，节点耦合法，约束方程法。

实体分割法

基本思路是先以混凝土结构的几何尺寸创建实体模型，然后用工作平面和力筋线拖拉形成的面，将混凝土实体分割，将分割后体上的一条与力筋线型相同的线定义为力筋线，这样不断分割下去，最终形成许多复杂的体和多条力筋线，然后分别进行单元划分、施加预应力、荷载、边界条件后进行求解。这种方法是基于几何模型的处理，力筋位置准确，求解结果精确，但当力筋线型复杂时，建模比较麻烦，甚至导致布尔运算失败。

节点耦合法

该法的基本思路是分别建立实体和力筋的几何模型，创建几何模型时不必考虑二者的关系，然后对几何模型的实体进行各自的单元划分，单元划分后采用耦合节点自由度将力筋单元和实体单元联系起来，这种方法是基于有限元模型的处理，其基本步骤可归结如下：

1、建立混凝土实体几何模型，此时不考虑力筋

2、建立力筋线的几何模型，此时不考虑混凝土实体的存在。

3、将几何模型按一定的要求划分单元，此时也是各自独立地划分。

4、选择所有力筋线及其力筋的相关节点、并定义选择集、将上述力筋节点存入数组。

5、选择所有节点，并去掉力筋节点的选择集，即选择除力筋节点外的所有节点。

6、按力筋节点数组搜寻所有最近的混凝土单元节点号，并存入数组中；

7、耦合力筋节点与最近的混凝土单元节点自由度。

8、施加边界条件和荷载，求解。

这种方法建模比较简单，若熟悉apdl编程，则耦合节点自由度处理也比较简单。缺点是当混凝土单元划分不够密时，力筋节点位置可能有些走动，造成一定误差，为消除该误差，势必将混凝土单元划分的较密，即以牺牲计算效率获得上述优点，该方法是解决大量复杂力筋线型的有效方法。

约束方程法

在节点耦合法中，是通过点（混凝土单元上的一个节点）点（力筋上的一个节点）自由度耦合的，这样需要找寻最近的节点然后耦合，略显麻烦。所以可通过ceintf命令在混凝土单元节点和力筋单元节点之间建立约束方程。与利用节点耦合法建模相比较，更为简单，在分别建立几何模型和单元划分后，只需选择力筋节点ceintf命令自动选择混凝土单元的数个节点，在容差范围内与力筋的一个节点建立约束方程，通过多组约束方程，将力筋单元和混凝土单元连接为整体。

显然，该法更能提高工作效率，且对混凝土网格密度要求不高进而提高了计算效率。该法也比较符合实际情况，计算结果较为精确。