ANSYS研究配筋率对徐变的影响

ANSYS研究配筋率对徐变的影响
王永爽;周东华;韩春秀
【摘要】运用ansys软件分别计算不同配筋率下,混凝土的徐变情况,理论计算的方法,公式繁多,求解繁琐,需要求解微分方程,面对每一种配筋率都需要重新进行计算求解;ANSYS数值模拟计算,可以通过APDL编程命令,直接计算出相关结果,实现了模型改变方法不变,求解方便.经过两方法计算结果的比较可看到:ANSYS模拟值与理论计算值两者的计算误差很小,都在可接受范围内.另外ANSYS计算结果还显示:随着配筋率逐渐增加,混凝土的应力应变越来越小,应力应变变化率也越来越小.
【期刊名称】《低温建筑技术》
【年(卷),期】2015(037)012
【总页数】3页(P1-3)
【关键词】ANSYS;徐变;应力;应变;配筋率
【作者】王永爽;周东华;韩春秀
【作者单位】昆明理工大学土木工程学院, 昆明650504;昆明理工大学土木工程学院, 昆明650504;昆明冶金高等专科学校建工学院, 昆明650033;昆明理工大学土木工程学院, 昆明650504
【正文语种】中文
【中图分类】TU375
在长期持续荷载作用下，钢筋混凝土的核心混凝土也将发生徐变，由于钢筋与混凝土协调变形，使轴力在钢筋与混凝土之间不断发生重分布，随着钢筋混凝土结构的
广泛应用，这种混凝土徐变与钢筋和混凝土之间应力重分布的情况，即钢筋混凝土徐变，得到了国内外学者的关注与研究。

Furlong[1]最早发表了关于22个圆形截面和17个方形截面钢筋混凝土徐变数据；谭素杰等[2]研究了持荷应力级别以及配筋率对轴心受压和偏心受压短柱的徐变影响；陈晓东等[3]基于三维粘弹性理论，采用三参数线性粘弹性模型，提出了核心
混凝土徐变的三维有限元分析理论和计算方法；张电杰等[4]基于混凝土固结理论
和多轴徐变理论，提出钢筋混凝土轴心受压短柱的徐变预测模型。

王元丰等[5]基
于混凝土徐变的继效流动理论和多轴压构件的受力特点，推导了钢筋混凝土轴心受压构件徐变的计算公式，并且在对钢筋混凝土轴心受压短柱徐变进行分析的基础上，考虑了徐变对其紧箍应力的影响。

关于配筋率影响徐变的问题，目前国内还没有一个统一的标准，而相关文献[1-5]的计算也大多求解比较复杂，因此为了研究配筋
率对混凝土徐变的具体影响，避免混凝土徐变产生的不利后果，文中采用了轴心受压钢筋混凝土柱作为研究对象，利用ANSYS观察不同配筋率下混凝土的徐变情况。

(1) 徐变。

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》F.2.1的关于混凝土徐变的规定可知徐变系数的计算[6]。

φ(t，t0)=φ0·βc(t-t0)
φ0=φRHβ(fcm)·β(t0)
β(fcm)
β(t0)
βc(t-t0)=[]0.3
βH=150[1+(1.)18]≤1500
根据徐变老化理论(迪辛格尔法)可知[7]：
·
(2) 对于加钢筋的混凝土徐变的计算，根据平衡条件混凝土位移与钢筋位移相等，
求解微分方程在此不再累述，推导最终结果如下[7]：
Ncr=-NC0(1-e-αsφt)
Nsr=NC0(1-e-αsφt)
Nc0=(1-αs)·N0
Ns0=αs·N0
Nct=(1-αs)·N0·e-αs·φ(t)
Nst=N0·
其中，
则最终总应变ξ·(1+φ(t))
(1) ANSYS使用隐式和显式积分二种方法来进行蠕变分析，均可应用于静态和瞬态分析。

隐式蠕变分析方法更强大、更快、更精确，一般推荐使用隐式蠕变分析。

它可以处理温度相关蠕变常数，同时模拟蠕变与等向强化塑性模型。

对于需要很小时间步的情况，隐式蠕变分析就非常有用。

蠕变常数不能有温度相关性，而与其他塑性材料模型的耦合只能应用迭加法。

隐式蠕变方法的基本步骤包括采用TB[8]命令(Lab=CREEP)，通过TBOPT值选择蠕变方程。

TBOPT的输入值对应于特定的蠕变方程，ANSYS程序所提供的隐式蠕变方程共有12个，而文中采取的是第11个蠕变隐式方程[8]：
ξcr=C1σC2tC3+1e-C4/T/(C3+1)+C5σC6te-C7/T
式中，C1、C2、C3、C4、C5、C6为APDL[8]程序中可以直接输入的值。

通过相关的换算，可以将理论计算的系数导入ANSYS软件中进行计算。

(2) 对于ANSYS计算徐变，对(19)求导后为
·σC2·tC3·e-C4/T
令C2=1、C3=0、C4=0、C5=0时[8]，结合(19)和(20)可知
··
(1) 文中采取截面尺寸为100mm×100mm，在顶部施加了0.1N/mm2的均布面
荷载，高为1000mm的加筋混凝土柱作为研究模型，钢筋居于混凝土柱正中央，配筋率分别为1%、2%、3%、4%、5%，其中，终值收缩系数为2E-5，，终值
徐变系数为3.0[7]，龄期为7d，湿度RH=75%[7]，本例研究徐变的持续时间为
87d，时间间隔为2d，具体模型尺寸如图(1)所示。

(2) ANSYS计算混凝土的徐变，通过建模、加载、求解、读取结果四个过程，具
体流程图如图(2)所示[9]。

(3) ANSYS模拟徐变主要通过TB，TBDATA两种命令来实现，TB中选择creep
隐式徐变，选择第11个本构关系[8]，TBDATA中C2=1、C3=0、C4=0、C5=0，C1的值是随时间变动的，具体变化过程见下文。

文中采用Solid185和Lin180单元分别模拟混凝土和钢筋，按式(21)计算各时刻的系数C1，记为C1(i)[9]，首先
在(t=0.00001)时刻，施加外荷载，关闭Pstres开关，进行静力分析，此时混凝土材料徐变系数为C1(1)；在t=7时刻，打开Pstres开关[9]，将混凝土材料徐变参数值更新为C1(2)，(可以利用MPCHG[9]命令实现材料的改变)，进行求解计算；后面时刻t=7+2n[9]，对应的徐变参数为C1(n+2)[9]，依次进行求解。

(4) 求解完毕后，进入时间后处理器，绘制出与徐变相关的时程曲线图(可用NSOL，PRVAR[8]命令绘制顶部节点位移图，用ESOL，PRVAR[8]命令绘制中间单元应力图)。

(1) 首先，根据式(16)、(17)、(18)可以计算出不同配筋率钢筋混凝土在徐变作用
下的理论值。

(2) ANSYS建立结构模型图如图3所示，ANSYS计算初始时刻配筋率为1%时初
始应变和应力图分别如图4、图5所示。

(3) 利用ANSYS计算本模型的徐变作用下配筋率分别为1%、2%、3%、4%、5%下混凝土位移变化与理论值的对比(图6)、混凝土应力变化与理论值的对比(图7)、
钢筋应力变化变化与理论值的对比(图8)。

(1) 由上述后三个图的曲线可知，对于同一配筋率的钢筋混凝土而言，随着时间的增长，混凝土的应变在逐渐增大，而应变变化率却在逐渐减小；混凝土的应力和应力变化率都在逐渐减小；而钢筋的应力是逐渐增大，而应力变化率却是在逐渐减小，逐渐趋近于零。

(2) 对于不同配筋率的比较我们可以看出，在混凝土截面尺寸相同的情况下，配筋率越大，混凝土的应变越小，并且应变变化率也越小；随着配筋率的增大，混凝土的应力越来越小，应力变化率也越来越小；而随着配筋率的增大，钢筋的应力逐渐减小，应力变化率也越来越小，逐渐趋近于零。

(3) 从最后三个曲线图我们可以看出，配筋率从1%～2%所产生的效果差值很大，而2%～3%产生的效果差值也比较大，而从3%～4%所起的效果差值就不是非常
大了，而从4%～5%所起的效果差值就更小了。

(1) 对于混凝土的徐变，配筋率起着至关重要的作用，在实际工程结构中，为尽可能避免徐变所带来的不利影响，可以通过适当增大配筋率来减缓混凝土的徐变。

(2) ANSYS比较准确的计算不同配筋率下混凝土的徐变情况，避免复杂的理论求
解和周期漫长的实验记录。

(3) 随着配筋率的增大，所产生的约束效果越来越低，选择效果最好、经济投入最低的配筋率有利于降低徐变所产生的不利影响。

【相关文献】
[1] FURLONG R W.Strength of steel-encased concrete beam-columns[J].Journal of the Structual Division，1967，93(5):113-124.
[2] 谭素杰，齐加连.长期何在对钢筋混凝土受压构件强度影响的实验研究[J].哈尔滨建筑工程学院学报，1967，(2):10-24.
[3] 程晓东，叶贵如，程莎莎，等.长期荷载作用下钢筋混凝土徐变的理论研究[J].浙江大学学报：工
学版，2004，38(8):1000-1008.
[4] 张电杰，王元丰，雷扬.钢管混凝土轴心受压短柱徐变模型研究[J].土木工程学报，2010，43(增刊):246-251.
[5] 王元丰，韩冰.徐变对钢筋混凝土轴心受压构件的徐变分析[J].中国公路学报，2000，13，(2):57-60.
[6] JTG D62-2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].
[7] 周履，陈永春.收缩徐变[M].北京：中国铁道出版，1994：1.
[8] 王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京：人民交通出版社，2007：10.
[9] 邵旭东.二次预应力混凝土组合梁徐变效应研究[D].长沙：湖南大学，2009：19.。