预应力的实现

在常用的软件系统中，预应力混凝土分析根据作用不妨分为两类：即分离式和整体式，所谓分离式就是将混凝土和力筋的作用分别考虑（脱离体），以荷载的形式取代预应力钢筋的作用，典型的如等效荷载法；而整体式则是将二者的作用一起考虑，典型的如ANSYS中用LINK单元模拟力筋的方法。
1 线性或非线性的考虑
对于预应力混凝土结构，只要是开裂前阶段的应力分析，完全可以将混凝土视为弹性材料，当然钢筋也是弹性材料；这主要在使用荷载阶段(Ⅱ类预应力混凝土结构除外)的应力分析。假如要进行开裂和极限分析，则必须考虑二者的非线性特性。
2 分离式方法（等效荷载法）的特点
主要优点是建模简单，不必考虑力筋的位置而可直接建模，当然网格划分也简单；对结构的在预应力作用下的整体效应可比较快捷的掌握。
其缺点是比较明显的：
①不便模拟细部，例如力筋所在位置对结构的影响显然是不同的；假如一定要模拟，则荷载必须施加在力筋的位置上，故其建模的方便性就消失了；
②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，而等效荷载法则没有计及此点；
③对张拉过程无法模拟；
④在其它外荷载作用下的共同作用不便考虑，否则要加入力筋(其建模则同整体式)，不能确定力筋在外荷载作用下的应力增量；
⑤无法模拟应力损失引起的力筋各处应力不等的因素。
大凡不少专家学者认为可以采用等效荷载法，无非是对于按杆系结构分析时方便而言的。而对于考虑实体，反而不考虑上述的某些因素，显然不合理。
综上：对于只关注预应力混凝土结构的基本性能时，可以考虑采用等效荷载法。
3 整体式方法的特点
将混凝土和力筋划分为不同的单元一起考虑，而模拟预应力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；而采用初应变又要模拟力筋各处不同的应力时，每个单元的实常数各不相等，工作量较大。所以比较而言，采用整体式时考虑降温方法为宜。
主要缺点是建模不便，尤其是当力筋较多且曲线布筋时(可以采用APDL解决)；其优点也比较明显：
①力筋的具体位置一定，对结构的影响可尽情的考虑；
②力筋对混凝土的作用近似的得到考虑(在结点处)；
③可以模拟张拉不同的力筋，以优化张拉顺序；
④不管何种荷载，都是力筋和混凝土共同承担的，可以得到力筋在任何荷载下的应力；⑤可以模拟应力损失的影响。
但在后张法中有几个问题是应该考虑的(当然可以不予理睬)：
①力筋的滑动问题：在张拉过程中，力筋与混凝土之间没有粘结，存在接触和滑动；而张拉完毕后，一般又都建立了粘结。这个问题可以这样考虑，因为分析总是张拉完毕(哪怕是某一束)，这时显然没有滑动问题了，即可以按有粘结处理；而在荷载作用下有了粘结，自然可以按有粘结处理。但是对于无粘结预应力混凝土和体外预应力混凝土另当别论，体外倒简单，无粘结的曲线力筋则麻烦了；（等效荷载法也存在该问题，但更没有办法考虑）
②基本上接着上述问题，大家知道，在张拉完毕后力筋的应力是已知的！(也就是确定的)，在分析时输入降温也是按张拉应力反算的，计算后力筋的应力显然不等于张拉应力！这里有弹性压缩的问题，即降温应该计入混凝土弹性压缩损失，这就比较麻烦(等效荷载法不存在该问题，施加多少是多少)你可以考虑增大一定的比例，然后降温计算，二者相符或差别合适时认可。
综上：研究类计算分析，建议采用整体式之降温模拟方法。

加个小例子：
!简支梁实体与预应力钢筋分析
/COM, Structural
/PREP7
egjx=2e5 !Ey
agjx=140 !单根钢绞线面积
ehnt=4e4 !Eh
xzxs=1.0e-5 !线胀系数
yjl=200000 !定义预加力
et,1,link8 !定义link8单元
et,2,solid95 !定义solid95单元
r,1,agjx !定义link8单元的面积
r,2 !定义第2种实常数
mp,ex,1,egjx !定义link8单元的弹性模量
mp,prxy,1,0.3 !定义link8单元的泊松系数
mp,alpx,1,xzxs !定义线膨胀系数
mp,ex,2,ehnt !定义solid95单元的弹性模量
mp,prxy,2,0.3 !定义solid95单元的泊松系数
blc4, , ,100,200,3000 !定义梁体
/view,1,1,1,1 !定义ISO查看
/ang,1
vplot !绘制梁体
kwpave,6 !工作平面移动到关键点6
wpoff,-30 !工作平面移动-30mm
wprot,0,0,90 !工作平面旋转
v***w,1 !分割梁体
wpoff,0,0,-40 !工作平面移动-40mm
v***w,2 !分割梁体
wpoff,0,40 !工作平面移动40mm
wprot,0,90 !工作平面旋转
v***w,all !分割梁体
wpstyl !关闭工作平面显示
nummrg,all,,,,low !整理
numcmp,all !压缩编号
esize,30 !定义网分时边长控制
lsel,s,,,28,38,10 !定义line28和38为新的选择集
latt,1,1,1 !定义选择集的属性
lmesh,all !对线划分单元
allsel,all !新的选择集为所有的实体
gplot !绘制所有的实体
vsel,s,,,all !定义所有体为选择集
vatt,2,2,2 !定义选择集的属性
mshape,0,3d !将体划分单元的形状定位HEX
mshkey,1 !采用MAPPED划分器
vmesh,all !对体进行划分单元
finish
/solu
dl,3,,all !对线line7施加约束(UX,UY,UZ)
dl,16,,all !对线line31施加约束(UX,UY,UZ)
dl,23,,all !对线line23施加约束(UX,UY,UZ)
dl,2,,uy !对线line4施加约束(UY)
dl,15,,uy !对线line30施加约束(UY)
dl,22,,uy !对线line23施加约束(UY)
dk,2,,,,,ux,uy !对关键点2约束(UX,UY)
bfl,28,temp,-yjl/(xzxs*egjx*agjx) !对钢绞线施加温度
bfl,38,temp,-yjl/(xzxs*egjx*agjx) !对钢绞线施加温度
solve !求解
finish
/post1
plnsol,s,z,0,1 !绘制Z方向的应力
etable,sigi,ls,1 !定义钢筋单元数据表
plls,sigi,sigi,1 !绘制上述应力
!finish
!/exit,nosav

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预应力混凝土分析中等效荷载法与其它
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。
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。

1 等效荷载法也是可以使用的，某些特例可能影响较大，但一般情况下是可以的。
2 独立建模的是好方法，但以牺牲计算效率为代价。
3 下面给出个小例题，以供讨论。
!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