ANSYS预应力钢筋与混凝土耦合造成应力集中的一种解决方法

最近看文献，偶然看到了长沙大学黄文雄的一篇文章《混凝土结构有限元分析中预应力筋模拟的新思考》，挺有意思，在此拆解分享，点击上面的文章标题可以去CNKI下载(没有数据库支持的朋友可以给我发邮件)。

问题描述

用ANSYS计算预应力混凝土非线性有限元问题时，混凝土采用三维Solid单元，预应力钢筋采用线性的Link单元。常规做法是分别建模，用耦合的方法使钢筋和混凝土单元协调工作。

于是，问题出现了，当二维单元和三维单元进行耦合的时候，在耦合点处“天然出现应力集中现象”，而且应力集中对整体有限元计算精度的影响随着单元尺度划分的不同而不同。

作者还提供的对比计算结果如下：

原因分析

1.沿梁纵向，恰好也是钢筋线性单元的布置方向，所以此方向上的应力和跨中挠度受单元划分尺度影响很小；

2.沿梁竖向，曲线预应力有竖弯构造时，单元划分尺度对竖向应力影响较大；

3.沿梁横向，曲线预应力有横弯构造时，单元划分尺度对竖向应力影响较大；

4.当曲线预应力钢筋的弯折半径较小时，弯折区域应力集中可能会对计算结果有较大影响。

解决方案

作者提出了一个解决方案：用三维Solid单元代替二维单元模拟预应力钢筋。并且通过对比计算得出以下结论：

1.沿跨度纵向方向”当单元划分尺度适宜时”单元划分尺度变化对于特征应力影响微乎其微；

2.沿截面竖向方向”单元划分尺度变化时”其应力相对变化率约在5%以内；

3.沿截面横向方向”单元划分尺度变化时”其应力相对变化率约在10%以内，当单元划分尺度选取适宜时”其应力相对变化率可控制在
5%左右。

至此，耦合产生的应力集中问题基本解决。

延伸问题

但貌似还没有结束，还有几个问题有待解决：

1.用三维单元实现施加预应力，也是采用降温法的么，那么当降温的时候，预应力钢筋沿着纵向和径向同时收缩，会对结算结果有影响么；

2.三维单元有一个拓扑结构的问题，即三个方向的尺度不能相差太多，这对钢筋单元的网格划分来说是个棘手的问题，而且很可能导致出现过多的单元极大增加计算成本；

3.三维-三维单元耦，选取哪个点进行耦合？应对稍稍复杂的模型，这个耦合的程序应该如何修改？(参考这个耦合终极解决方案)

在解决实际问题的过程中，预应力与混凝土的几何关系一般都比较复杂，用三维代替二维的方案实现起来，难度着实不小。

[注] 本文题头来自网络

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