ANSYS混凝土收缩徐变

ANSYS和MIDAS混凝土徐变模拟比较

简述：本文主要对比ANSYS和MIDAS这两种有限元软件在模拟混凝土收缩徐变上的差异，包括计算精度、计算方式、计算时间等方面。计算模型为10m长的C50方形柱顶施加1kN 的集中力，柱截面为1m×1m。

1.混凝土徐变

混凝土徐变是混凝土结构在长期荷载作用下随着时间的增长混凝土中产生的应变变化

目前尚未对混凝土徐变有比较统一的说法，在此不去讨论具体有何说法，关键在于理解混凝土徐变与应力是有关系的。而通常我们计算结构时大部分是按照线性徐变处理的。

2.混凝土徐变本构关系

2.1老化理论本构关系

根据迪辛格尔法可知徐变函数可定义为在t0时刻作用于混凝土的单位应力(即σt0=1)至时刻ｔ所产生的总应变。如采用徐变系数φ(t,t0)的第一种定义，则可表示为：

如采用第二种定义，则可表示为：

3.ANSYS立柱计算模型

由于ANSYS并没有专门板块来混凝土徐变模拟，故而需要借助金属蠕变的计算机理来等效模拟混凝土徐变效应。ANSYS提供两种方法计算徐变：显式计算和隐式计算。显式计算需要细分较多的时间步长，计算时间长；隐式计算计算精度高，计算时间短。但是在实践中也发现，涉及到单元生死情况时，隐式计算可能出现异常现象。下面将会对这两种方法进行详细的比较。

3.1ANSYS显式计算

显式计算对时间步长是有要求的，尤其是在徐变系数曲线变化剧烈的时间段需要细分子步以减小误差和帮助收敛。因而，时间步长的划分方式、时间点的数目对计算结果都会有较大的影响。

（1）等间距时间步长和对数时间步长

假设混凝土的龄期是7天，徐变变化速率为0.005，考虑收缩徐变10年（3650天），若3650天时刻的徐变系数为1，那么按照等间距时间步长划分，则时间步长间距，（3650-7）/500=7.286。按照对数时间步长划分，若采用30个数据点，具体数据如下所示。

表1对数时间步长数据表

（2）徐变变化速率

徐变变化速率影响着徐变变化曲线的陡缓，将会对不同徐变变化速率值进行比较：0.001、0.002、0.003、0.004、0.005、0.006、0.007、0.008、0.009、0.010。

（3）计算结果对比

两种时间步长划分方式和不同徐变变化速率柱顶徐变10年位移计算结果如下表所示：

表2: 柱顶徐变10年计算结果对比（单位:m）

从上表可以看出，不同的时间步划分方式对结果产生较大的差异，等距时间步长随着徐变变化速率的增大精度不断降低，对数时间步长则随着徐变变化速率的增大精度先上升后趋于平稳。且对数时间步长的计算时间要短，精度也能满足工程要求，且在较大徐变变化速率区间，采用对数时间步长更容易获得较好结果。

故而，建议采用对数时间步长进行显式计算。

3.2ANSYS隐式计算

隐式计算也需要区分等间距时间步长和对数时间步长两种划分方式。不过这里不对隐式计算进行详细的探讨，光是一个简单的立柱还不能够说清楚ANSYS模拟徐变问题。下面将会讨论考虑施工过程的两端固结梁的徐变问题。

4.ANSYS两端固结梁计算模型

只考虑显式计算。仍然考虑等间距划分和对数划分两种方式，比较这两种划分方式的计算结果、收敛情况、计算耗时等。

此处附上显式计算命令流，不作详细说明，因为显式计算碰到收敛问题无法解决！

! 计算悬臂梁转化为固定梁的徐变效应

finish

/clear

/prep7

Ec=3.45e10

! time array

*dim,tt,array,50,1

*vread,tt(1),tt1,txt

(1F8.3)

! creep coefficient=0.005

nn=50

*dim,fi,array,nn,1

*do,i,1,nn

fi(i)=1-2.7182818**(-0.005*(tt(i)-7))

*enddo

*dim,C1,array,nn,1

f1=0

k1=3

dt=0

*do,i,1,nn

C1(i)=(fi(i)-f1)/(1+fi(i))/(tt(i)-dt)

f1=fi(i)

dt=tt(i)

mp,ex,k1,Ec

mp,prxy,k1,0.2

tb,creep,k1

tbdata,1,C1(i),0,1,0

k1=k1+2

*enddo

*dim,C2,array,nn,1

f1=0

k2=4

dt=0

*do,i,1,nn

C2(i)=2*(fi(i)-f1)/(1+2*fi(i))/(tt(i)-dt) f1=fi(i)

dt=tt(i)

mp,ex,k2,Ec

mp,prxy,k2,0.2

tb,creep,k2

tbdata,1,C2(i),0,1,0

k2=k2+2

*enddo

et,1,23

keyopt,1,6,0

r,1,1,1/12,1

! 左边材料属性

mp,ex,1,Ec

mp,prxy,1,0.2

tb,creep,1

tbdata,1,0,0,0,0

! 右边材料属性mp,ex,2,Ec

mp,prxy,2,0.2

tb,creep,2

tbdata,1,0,0,0,0

! 建立有限元模型*do,i,1,19

n,i,(i-1)/2

*enddo

*do,i,1,19

n,i+19,(i-1)/2+9

*enddo

type,1

mat,1

*do,i,1,18

e,i,i+1

*enddo

type,1

mat,2

*do,i,18,35

e,i+2,i+2+1

*enddo

d,1,all

d,38,all

esel,s,,,1,18 sfbeam,all,,pres,1000 esel,s,,,19,36