钢筋的非线性模型和后张法预应力混凝土梁外文翻译.docx

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钢筋的非线性模型和后张法预应力混凝土梁外文翻译

本科毕业设计（论文）外文翻译译文

钢筋的非线性模型和后张法预应力混凝土梁

-------P.范宁

爱尔兰都柏林大学土木工程系讲师

摘要

商业有限元软件一般包括混凝土在荷载作用下的非线性反应的专用数值模型。

这些模式通常包括一种针对混凝土抗拉强度相对较弱的开裂类推法，一种混凝土在压缩功能区内容易破碎的可塑性算法和一种详细说明任何内部增援的数额、分配和方向的方法。

该数值模型采用的是ANSYS的论述。

在ANSYS中，介绍了适当的数值预报模式的策略并针对普通钢筋混凝土梁和后张预应力混凝土T型梁，对比试验载荷-挠度反应做了讨论。

关键词

混凝土；后张法预应力；有限元建模。

1导言：

ANSYS的钢筋混凝土模型

在有限元分析程序中执行非线性材料法规，是软件开发业的两种一般处理方式之一。

初审材料是被指定的独立编程的要素。

用这种方法为某一特定的物理系统选择元素，是不受限制的，而且最佳的应用于实践的建模技术，用于确定一个适当的元素类型，使得在其中的任何一个范围内，非线性材料性能能被合理分配。

这是最通用的做法，并且也没有限制分析师必须对特定元素类型的配置问题感兴趣。

尽管这样，但某些软件开发商提供具体的专业非线性材料的能力不够，只拥有专用元素类型。

ANSYS[1]提供了一个专门的三维立体8节点固体等参单元，solid65，以willam和warnke[2]共同建立的一个三维形态的混凝土基本模型为基础模拟脆性材料的非线性反应。

该要素包括一种在张力区内产生断裂的抹黑开裂类推法和一种在压缩区内计算混凝土破碎的可能性的可塑性算法。

在开裂和破碎的每个单元有8个集成点执行检查工作。

这一要素以一种线性弹性方式运转，直到指定拉伸的一方或压缩力量超载。

一个单元的开裂或压碎一旦开始，在一个要素的结合点处，这个要素的主要重压中的某个就会超过混凝土的拉伸或压缩强度。

破裂或压碎地区，和相对于不连续的破裂一样，然后形成垂直于有关主应力方向连同那些重压被局部地分配。

该元素是非线性的，因此，需求一个迭代求解。

在数控例程中，一个破裂的形成是通过在必要的主应力方向上有缺陷的一个平面的该要素的应力应变关系的改变形成的。

在一个破裂区，穿过一个断裂剪转移的结果在充分剪转让和不剪转移之间可以是多种多样的。

破碎算法俨如一个可塑性法，即一旦有一节已粉碎，朝着这个方向发展的任何进一步的应用负载就会在不断的压力下增加作用力。

继一个初始裂纹形成之后，触及破裂表面的重压可能造成第二个或第三个裂纹等在一个结合点上发展延伸。

内部钢筋可作为一种通过在一个指定的方向的分布式的一个要素或者用离散杆或梁单元交替连接到固体分子上的额外抹黑刚度来模拟。

梁分子将允许内部加固以发展剪应力，但由于这些因素，在ANSYS中，是线性的，没有塑性变形的钢筋也是可能的。

该抹黑刚度和纽带模型选择允许加固的弹塑性反应被包括在不惜牺牲剪切刚度的钢筋仿造物中。

2测试用例梁

一般的钢筋和后张法预应力混凝土梁的最终负载测试的结果被用来评估钢筋混凝土模型在预测钢筋混凝土梁的最终的反应中实施ANSYS是否适合。

•3.0米长通常钢筋混凝土梁

穿过3.0米长梁的一个横断面，图1，说明了内部加固。

三根直径12毫米钢筋连同两根作为压缩钢的12毫米的钢筋被列入张力区。

10个剪切环节产生6毫米轻度钢筋，分别提供给剪切跨度中的125毫米剪切加固中心。

对两道梁进行测试，其中每道梁都能支持一个清晰的2.8米的跨度和对称又单调的负载，根据位移控制，在弯曲的四点以及跨中位置0.3米点荷载的两侧，是要失败的。

根据英国的标准，横梁中心部位的柱面分裂[3]和压碎试验[4]被担保能查明混凝土单向轴向拉伸和压缩力。

（分别为ft=5.1N/mm2和fc=69.0N/mm2），，以及混凝土的杨氏模量，[5]，（39200n/mm2），列入该数值模型。

对钢筋和剪连接样品的拉伸试验也如此被承诺，他们的非线性塑胶反应，可准确地在数值模型中模拟。

•9.0米只要三分之一规模预应力梁[6]

30米长的预应力混凝土梁的三分之一比例模型的一个横断面和立视图的测试是在斯洛文尼亚的国家建筑及土木工程研究所，斯洛文尼亚卢布尔雅那示于图2。

T型梁的梁缘是1.1米宽0.08米深，而网路是一根梁缘为0.29米宽和0.6米总深的I型钢。

除了普通的钢筋，三根压浆0.6"（15.2毫米）蹄筋，每根由7×5.08毫米直径电线组成，被用于承载每束梁的后张力。

对钢筋及肌腱的拉伸试验和具体确定相关的材料性能的线性与非线性的强度和刚度试验，，都是为了完成数值模型。

当偏离的和有差错的数据在混凝土表面和个人电缆上被监测到的时候，横梁就会装载失败，承载布置如图3所示，并在所有情况下，最早被应用的均匀分布载荷连同点载荷P1和P2被应用在以后逐渐递增直至达到横梁的极限负载。

图1：

3.0米梁截面细节

图上译文：

压缩钢2no.12毫米高预制钢筋，fy=460N/mm2

剪连接6毫米软质钢连接，fy=250N/mm2（只是在剪切跨度

中位于125毫米中心的10个连接）

张力钢3no.12毫米高预产钢筋，fy=460N/mm2

图2：

后张法预应力梁的高和断面模型

图3：

负载布置

3有限元建模策略

规定包括获得在ANSYS中后张力和普通钢筋梁使用专用Solid65单元的最终反应的钢筋混凝土的非线性反应。

存在的对称平面，两个作为3.0米横梁和一个用于预应力梁，其结果只有四分之一和一半的模型被分别要求。

有限元钢筋网划分为3.0米梁被绘制在图4而钢筋网作为预应力梁列于图5。

以3.0米梁为蓝本的内部加固，被模拟应用于可塑性三维晶石元素，link8，内嵌了坚固的钢筋网。

这一方案因其在保持混凝土介质周围相对较粗的钢筋网的同时允许固定物被精确的安置而得到了多于供选择的抹黑钢度性能的偏爱。

内在的假设是，在钢筋和混凝土之间有足够的具有兼容性的取代，以及没有任何粘合滑动。

该模型是有负载的，通过应用位移来方便衔接，其方式符合试验方案。

在为后张法预应力梁制定模型的过程中，可塑性三维晶石元素，link8，被用于后张电缆（原始钢筋），同时使用替代分布式抹黑钢度的办法来模拟内部钢筋。

后张力是经钢筋束元素中的一种初始张力模拟的，类似于在一个初负荷阶段的钢筋束拉伸力。

接下来，均匀分布载荷在第二负荷阶段被详细说明，这个阶段要先于符合试验数据但模型被负荷重压导致失败的第三个阶段。

图4：

3.0米梁-有限元钢筋网（选定的混凝土构件被拆除，以说明内部加固）

图5：

后张法预应力梁-有限元钢筋网

4比较试验和数值模拟结果

从测试计划来看，3.0米横梁的负载偏转反应被划分为有限的要素，结果见图6。

该数值模型预测到一个66.1kn的极限荷载并很好地捕获了试验失败的横梁的非线性负载偏移反应。

在测试中达到的极限负载分别是66.18kn和66.7kn。

很明显，直到第一个裂缝已形成约17kn时形成的数值模型是线性的。

虽然横梁的实测反应是原始的，不够强烈的，但第一可见裂缝也出现在大约17kn处。

除了这一点，有限元模型的几乎所有线性反应都是符合测试数据的。

传统混凝土理论[7]，预言拉长的钢筋可以展开约59kn，这与试验和数值横梁的荷载挠度反应在坡度上的改变是一致的。

记录在测试中的3.0米横梁的极限跨中挠度是45mm。

在数值模型中内部钢筋塑性变形的解决方案没能收到预期的超出跨中约27毫米的挠度。

实验中的裂纹分布在跨中（所显示的钢筋束的左手边）而裂缝分布被有限元模型（右边）所预测，情景见图7。

有限元模型预测的弯曲裂缝，，形成了90度的转折，并一直延长穿过因压缩面的接触而变得越来越不统一之前的横梁深处。

这在试验横梁中也可以看出。

但是使用抹黑裂缝模型并不能捕获弯曲裂缝的离散性。

使用数值模型预测的失败模式是一个失败的弯曲模式，符合测试反应，也致使在拉伸的钢筋中延伸出更多的可塑性张力。

后张法预应力T型梁的负载偏转反应是通过数值模型精确捕获的（见图8）。

在数值模型中达到的极限负荷231kn是264kn极限试验负荷的12％。

对横梁的顶部和底部面的测试过程中，具体的拉力被测量出来，测试的过程可比较图9中的计算结果。

实验和数值数据之间的相关性轻松达到预想的拉力标准的拉力极限百分之一。

在横梁试验中失败的模式是一个中心轴上升到后张电缆和内部钢筋达到并最终超过的位置的弯曲模式。

尽管如此，数值模型中预测的张力要比在失败的预测方案中和因为在钢筋束及增加的加固物中的拉伸力，弯曲裂缝穿入土梁的深处而使数值模型变得不稳定的张力一样有所轻微下降。

图63.0米横梁-实验和有限元荷载偏移反应

注：

ppliedLoad：

实际荷载

DeflectionatMidspan：

以毫米为单位偏移

数值的摸黑裂缝组成的平行的到垂直的断裂线

图7失败的实验和有限元裂缝分布

图8后张法预应力试验和有限元负荷偏移反应

表9：

后张法预应力试验和有限元负荷偏移反应

5讨论

3.0米普通钢筋束和后张法预应力梁的数值模型在这两种情况下均符合测试结果。

明显的，试验和数值数据的相关性取决于精确线性和非线性材料特性的恰当分配。

一般地，为同一目的，新的结构和内核的混凝土样本的混凝土压碎试验通常在评估现有结构的时候被采用。

杨氏模量测量拉伸强度和钢度的柱面分裂测试一般都较复杂，而且它对为评估混凝土的抗拉强度和杨氏模量而使数值模拟方法被普遍采用来评估现有的经验法则具有启发性。

休斯[8]提出，混凝土的杨氏模量是和其抗压强度相关的：

Ec=9100（fcu）1/3

在这种情况下，休斯[8]产生了一个37324N/mm2的杨氏模量，而37324N/mm2是在39200N/mm2的平均测值的5%以内的。

钢筋混凝土[9]的英国标准是从已知的压缩强度估计混凝土抗拉强度的：

ft=0.36（fcu）1/2

并为混凝土立方体强度预测了一个2.99N/mm2的抗拉强度，fcu=69N/mm2。

使用柱面分裂试验测量的混凝土拉伸强度值是5.1N/mm2。

虽然明显低于混凝土的实测拉伸强度，但混凝土梁往往出现裂缝而迫使钢筋进行一些拉应力的极限反应的预测还是有影响的。

一般给出的混凝土的压缩强度通常可能是达到一套被纳入非线性数值模型的实用材料数值。

在该钢筋环境中情况并非如此清晰。

一般的，加固物的名义强度是被指定的，而且这是假定在它拥有一个理想弹塑性方式的设计中。

对高强度钢筋（额定σ为Y=460N/mm2）进行的拉伸试验给出了一个204000N/mm2的杨氏模量和一个532.4N/mm2的0.2％检验力。

以混凝土和加固物的名义屈服强度的压缩强度为基础的通用材料性能的负载绕度反应包含了有限元模型结果与实验结果，如图10。

图10：

针对材料性能的负载挠度反应的3.0米横梁灵敏度

有限元模型与通用材料性能被认为低估了钢筋混凝土梁的力量。

相比测试方案中达到的66KN，预测的极限负荷大约是55.8KN。

极限负荷的不同是大约等于假定与测试的钢筋的屈服强度之间的比例。

从两种有限元模型的结果中都可以发现它们对混凝土的杨氏模量和固体物的屈服力量是相当敏感的。

对于3.0米横梁和后张法预应力横梁，杨式模量衍生测试赞同休斯的预言，因而固体物和后张力电缆的屈服力量成为精确识别横梁的极限负载的关键参数。

被认可的后章法预应力横梁的极限负载也是依赖于后张力的实际水平的。

6结论

3.0米普通钢筋混凝土横梁和9.0米后张法预应力混凝土横梁的有限元模型对在ANSYAV5.5中，以精确捕获到这些失败体系的非线性扰曲反应的专用混凝土要素的使用作出了贡献。

专用元件采用了抹黑裂纹模型，并认可了以一个分布式或离散的方式模拟钢筋的混凝土裂纹模拟。

结果发现，在控制网格密度和准确定位内部钢筋方面，最佳模型战略是以一个离散的方式模拟原始钢筋。

因此，普通钢筋混凝土的所有内部加固被分别模拟，而后张法预应力横梁的后张钢筋束应参照其他外部加固被分别模拟的方式来模拟。

在使用有限元模型预测现有横梁的力量方面，适当的物质性能的分配是至关重要的。

我们发现一个已知的混凝土抗压强度是可以从提取的内核中测量出来的。

杨氏模量和混凝土抗张强度的现有经验法则被充分列入该数值模型。

与钢筋相关的实际屈服强调度很可能大于名义设计强度和将因此被低估的横梁的极限荷载。

有关后张法预应力梁的情况在施工后将会发生的后张强迫力下更加复杂化，也带来不可避免的损失。

在后张预应力的评估模型中，这些损失和建筑物的有限期应该被计算出来。

在结论中，专用抹黑裂缝模型是一个合适的数值模式，可获得失败的钢筋混凝土系统的弯曲模式。

此外，对于给定的负载，除了它的极限强度，他们被要求精确的预测出钢筋混凝土系统的挠度的时候，它就特别能引起设计师的兴趣。

参考文献

1.ANSYS,ANSYSManualSet,1998,ANSYSInc.,Southpoint,275TechnologyDrive,Canonsburg,PA15317,USA.

2.William,K.J.andWarnke,E.D.“ConstitutiveModelfortheTriaxialBehaviourofConcrete”,ProceedingsoftheInternationalAssociationforBridgeandStructuralEngineering,1975,19,p.174,ISMES,Bergamo,Italy

3.BS1881,TestingConcrete,Part117,‘MethodfortheDeterminationofTensileSplittingStrength’,1983,BritishStandardsInstitution,London.

4.BS1881,TestingConcrete,Part121,‘MethodfortheDeterminationofCompressiveStrengthofConcreteCores’,1983,BritishStandardsInstitution,London.

5.BS1881,TestingConcrete,Part121,‘MethodfortheDeterminationofStaticModulusofElasticityinCompression’,1983,BritishStandardsInstitution,London.

6.Fanning,P.andZnidaric,A.,SolidModellingofPost-TensionedBridgeBeamsusingFiniteElements,tobepublishedatfib99Symposium:

StructuralConcrete–TheBridgeBetweenPeople,1999,Prague,12-15October,CzechConcreteandMasonrySociety.

7.O’Brien,E.J.andDixon,A.S.,ReinforcedandPrestressedConcreteDesign:

TheCompleteProcess,1995,1stEdition,LongmanScientificandTechnical（UK）.

8.Hughes,B.P.,LimitStateTheoryforReinforcedConcreteDesign,1976,2ndEdition,PitmanPublishingLtd（London）.

9.BS8110,StructuraluseofConcrete,Part1,1985,BritishStandardsInstitution,London.

翻译原文：

NonlinearModelsofReinforcedand

Post-tensionedConcreteBeams

P.Fanning

Lecturer,DepartmentofCivilEngineering,UniversityCollegeDublin

EarlsfortTerrace,Dublin2,Ireland.

Email:

paul.fanning@ucd.ie

Received16Jul2001;revised8Sep2001;accepted12Sep2001.

Abstract

Commercialfiniteelementsoftwaregenerallyincludesdedicatednumericalmodelsforthenonlinearresponseofconcreteunderloading.Thesemodelsusuallyincludeasmearedcrackanalogytoaccountfortherelativelypoortensilestrengthofconcrete,aplasticityalgorithmtofacilitateconcretecrushingincompressionregionsandamethodofspecifyingtheamount,thedistributionandtheorientationofanyinternalreinforcement.ThenumericalmodeladoptedbyANSYSisdiscussedinthispaper.Appropriatenumericalmodellingstrategiesarerecommendedandcomparisonswithexperimentalload-deflectionresponsesarediscussedforordinaryreinforcedconcretebeamsandpost-tensionedconcreteT-beams.

Keywords

Concrete;post-tensioning;finiteelementmodelling.

1.Introduction:

theANSYSreinforcedconcretemodel

Theimplementationofnonlinearmateriallawsinfiniteelementanalysiscodesisgenerallytackledbythesoftwaredevelopmentindustryinoneoftwoways.Inthefirstinstancethematerialbehaviourisprogrammedindependentlyoftheelementstowhichitmaybespecified.Usingthisapproachthechoiceofelementforaparticularphysicalsystemisnotlimitedandbestpracticemodellingtechniquescanbeusedinidentifyinganappropriateelementtypetowhichany,ofarange,ofnonlinearmaterialpropertiesareassigned.Thisisthemostversatileapproachanddoesnotlimittheanalysttospecificelementtypesinconfiguringtheproblemofinterest.Notwithstandingthishowevercertainsoftwaredevelopersprovidespecificspecialisednonlinearmaterialcapabilitiesonlywithdedicatedelementtypes.ANSYS[1]providesadedicatedthree-dimensionaleightnodedsolidisoparametricelement,Solid65,tomodelthenonlinearresponseofbrittlematerialsbasedonaconstitutivemodelforthetriaxialbehaviourofconcreteafterWilliamsandWarnke[2].

Theelementincludesasmearedcrackanalogyforcrackingintensionzonesandaplasticityalgorithmtoaccountforthepossibilityofconcretecrushingincompressionzones.Eachelementhaseightintegrationpointsatwhichcrackingandcrushingchecksareperformed.Theelementbehavesinalinearelasticmanneruntileitherofthespecifiedtensileorcompressivestrengthsareexceeded.Crackingorcrushingofanelementisinitiatedonceoneoftheelementprincipalstresses,atanelementintegrationpoint,exceedsthetensileorcompressivestrengthoftheconcrete.Crackedorcrushedregions,asopposedtodiscretecracks,arethenformedperpendiculartotherelevantprincipalstressdirectionwithstressesbeingredistributedlocally.Theelementisthusnonlinearandrequiresaniterativesolver.Inthenumericalroutinestheformationofacrackisachievedbythemodificationofthestress-strainrelati