張淼　李晶晶　胡向輝

摘 要：隨著鋼管混凝土材料的普及，鋼管混凝土在工程中的應(yīng)用越來越廣泛，鋼管混凝土的強(qiáng)度與鋼管厚度、截面形式、核心混凝土的強(qiáng)度有著密切的聯(lián)系，ANSYS有限元模擬軟件可以對(duì)大部分的工程模型進(jìn)行模擬，但在鋼管混凝土模擬方面，總是會(huì)遇到各種各樣的問題，文章針對(duì)這些問題，提出了自己的看法，希望借此文，為今后使用ANSYS軟件模擬鋼管混凝土提供幫助，也為鋼管混凝土構(gòu)件的受力分析提供良好的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：鋼管混凝土；ANSYS；問題

1 鋼管混凝土簡(jiǎn)介

鋼管混凝土是鋼管內(nèi)填充混凝土的構(gòu)件，不但施工方便，而且也克服了材料自身的缺陷。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)相比鋼結(jié)構(gòu)節(jié)約了大量的鋼材，而相比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)則節(jié)約了大量的混凝土，并且經(jīng)濟(jì)合理，具有一定的耐火特性。鋼管混凝土自身所具有的優(yōu)勢(shì)吸引了大批學(xué)者對(duì)其進(jìn)行研究，并取得了良好的成果，在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。

2 ANSYS軟件應(yīng)用簡(jiǎn)介

ANSYS是美國(guó)ANSYS公司研制的有限元分析軟件，其應(yīng)用范圍很廣，能夠和多種計(jì)算機(jī)軟件接口，如為大家所知的cad軟件，同時(shí)也是功能最為強(qiáng)大的軟件之一，在歷年的FEA評(píng)比中都名列第一，我國(guó)也有廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)。其在土木工程、電磁、能源、輕工、地礦等都有這廣泛的應(yīng)用，在我國(guó)某些理工院校中，也被欽定為專門的教學(xué)軟件。

3 ANSYS模擬鋼管混凝土支架問題的實(shí)現(xiàn)

文章所說的鋼管混凝土支架是專門用于煤礦巷道支護(hù)的新型鋼管混凝土支架，在煤礦巷道支護(hù)過程中，由于地應(yīng)力存在于圍巖的四周，因此，要求鋼管混凝土支架要四面封閉，形成一個(gè)穩(wěn)定的受力結(jié)構(gòu)，只有如此，才能夠有效控制圍巖變形，針對(duì)圓形的鋼管混凝土支架的ANSYS模擬，必然會(huì)導(dǎo)致一系列的問題，現(xiàn)將問題簡(jiǎn)單敘述如下：

3.1 模型簡(jiǎn)化

鋼管混凝土支架的原型是呈圓形，專門控制呈圓形的巷道的變形，對(duì)于圓形巷道的變形問題，如果采用ANSYS模擬，則勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致無法加載的情況，或者說四周加載無法計(jì)算的問題，因此，在對(duì)支架進(jìn)行模擬時(shí)，一定要對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，既要保證模型能夠正常計(jì)算，又要保證模型能夠真正的反應(yīng)出支架的實(shí)際受力情況。文章在模擬鋼管混凝土支架的受力情況時(shí)，采用將原來本來是圓形的鋼管混凝土支架計(jì)算模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化為半圓形，這樣就可以將鋼管混凝土支架的有限元計(jì)算量降低一半，同時(shí)，通過巷道頂部和側(cè)部壓力的分別施加，更加逼真的模擬了煤礦巷道的支護(hù)情況。

3.2 計(jì)算準(zhǔn)則的確定

鋼管混凝土的本構(gòu)關(guān)系可以分為線性、性彈性、非線性、彈塑性等力學(xué)模型，其中研究最多的是非線性和彈塑性，各個(gè)破壞準(zhǔn)則的表達(dá)方式和繁簡(jiǎn)程度各不一樣，適用范圍和計(jì)算精度也不同，這就給模擬帶來很大困難。

ANSYS商品混凝土的破壞準(zhǔn)則與屈服準(zhǔn)則的定義直接關(guān)系到模擬精度和模擬結(jié)果，因此，對(duì)于其本構(gòu)關(guān)系又非定義不可。文章采用tb，concr，matnum準(zhǔn)則，而非屈服準(zhǔn)則，理論上其是不同的，屈服準(zhǔn)則的最終表現(xiàn)形式是屈服，但并未破壞，而鋼管混凝土支架的承載力研究則在于破壞而非僅僅屈服。同時(shí)，作為非線性破壞的鋼管混凝土構(gòu)件，其關(guān)鍵是研究其承載能力的破壞而非屈服，因此，文章研究的鋼管混凝土構(gòu)件默認(rèn)的是tb準(zhǔn)則。

3.3 鋼管與混凝土粘結(jié)問題的解決

隨著計(jì)算速度和電腦科技的發(fā)展，離散裂縫模型又再一次被推廣使用，就ANSYS在模擬鋼管混凝土技術(shù)上而言，可以考慮鋼管和混凝土之間的粘結(jié)，引入彈簧模型進(jìn)行模擬，但最終的結(jié)果是計(jì)算麻煩，反而將模型復(fù)雜化。文章認(rèn)為，在大部分的結(jié)構(gòu)受力分析上，可以不考慮鋼管與混凝土之間的粘結(jié)與滑移，簡(jiǎn)化彈簧單元，直接默認(rèn)鋼管和混凝土之間粘結(jié)良好，認(rèn)為solid45和solid65之間本身并無裂隙和裂縫。這樣的簡(jiǎn)化也符合實(shí)際需要。鋼管混凝土在實(shí)際施工的過程中，很難保證鋼管混凝土之間沒有絲毫裂隙，但是微裂隙對(duì)鋼管混凝土支架整體結(jié)構(gòu)的影響幾乎可以忽略不計(jì)。即使會(huì)出現(xiàn)較大的裂縫，也是在施工過程中出現(xiàn)的，可以通過在混凝土中加入膨脹劑來消滅裂隙。文章模擬的鋼管混凝土支架就是采用的v，glue，的方法進(jìn)行計(jì)算的。

3.4 非線性收斂問題

混凝土作為典型的非線性材料，運(yùn)用ANSYS計(jì)算是很難收斂，其不收斂與多方面因素有關(guān)，但主要影響因素不外乎其網(wǎng)格大小，收斂準(zhǔn)則等，網(wǎng)格的密度究竟多少合適，沒有人在模擬之前會(huì)知道，因此，需要自己慢慢試算，考慮到計(jì)算費(fèi)用，建議由大到小計(jì)算，只要能滿足要求，即可不必細(xì)分。收斂精度的調(diào)整并不能解決收斂問題，但是可以加速其計(jì)算進(jìn)程，放寬收斂條件加速一般不能超過百分之五，有時(shí)候也可以強(qiáng)制其計(jì)算收斂。

3.5 材料參數(shù)的選擇

對(duì)鋼管混凝土進(jìn)行有限元模擬，考慮到solid65單元是專門為混凝土而設(shè)置的一種抗拉能力弱而抗壓能力強(qiáng)的非均勻材料，因此文章對(duì)混凝土的模擬采用solid65單元，鋼管單元采用solid45單元，將鋼管混凝土支架的模型簡(jiǎn)化為半圓形，其具體的材料參數(shù)為，鋼管：泊松比0.280，彈性模量2.06×105N/mm2，塑性模量0.15×105N/mm2，屈服應(yīng)力300N/mm2：密度7.85g/mm2，混凝土：泊松比0.2，彈性模量3.65×104N/mm2，粘聚力5.5654，摩擦角55.6°，膨脹角30°。

4 鋼管混凝土支架ANSYS模擬結(jié)果

以下模擬結(jié)果是對(duì)圓形鋼管混凝土支架的模擬結(jié)果，將圓形的鋼管混凝土支架簡(jiǎn)化成了半圓型，考慮到圍巖四周壓力的不同，將半圓型的鋼管混凝土支架又分成三段，便于對(duì)其進(jìn)行加載，鋼管采用solid45單元，混凝土采用solid65單元，材料參數(shù)如上文所述，主要收斂準(zhǔn)則采用上文所述的準(zhǔn)則，最終計(jì)算出的支架結(jié)果如圖1所示。

由圖1分析可知，此鋼管在受力的情況下呈現(xiàn)出頂部變形較大，兩側(cè)變形較小的形狀，而加載情況剛好是圍巖頂部壓力和側(cè)部壓力為1：1.5的情況，符合實(shí)際圍巖應(yīng)力的情況，同時(shí)，鋼管支架的兩端出現(xiàn)了內(nèi)收的情況，主要是在計(jì)算過程中，將鋼管混凝土支架兩端作為固定端考慮的，此模型計(jì)算結(jié)果符合理論分析，按照文章所述，確實(shí)成功的運(yùn)用ANSYS模擬出了鋼管混凝土支架的結(jié)果。

5 結(jié)束語

文章通過對(duì)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)受力的有限元模擬，對(duì)鋼管混凝土進(jìn)行了受力分析，從鋼管混凝土支架的受力分析過程，利用ANSYS實(shí)現(xiàn)了其分析的過程，從而為ANSYS分析鋼管混凝土模型提供了良好的基礎(chǔ)，文章研究的鋼管混凝土支架本為圓形，但是通過一定的模型簡(jiǎn)化，計(jì)算簡(jiǎn)化，最終實(shí)現(xiàn)了其ANSYS的受力分析，文章得出了結(jié)果最終經(jīng)調(diào)試收斂，也就是說，利用ANSYS模擬鋼管混凝土是完全可行的，也符合理論數(shù)值的計(jì)算結(jié)果。

參考文獻(xiàn)

[1]余志武，丁發(fā)興，林松.鋼管高性能混凝土短柱受力性能研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2002，23（2）：41-47.

[2]李先德.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在建筑工程中的應(yīng)用[D].山東濟(jì)南：山東大學(xué)，2007.

[3]韓林海，楊有福.現(xiàn)代鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)[M].中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004，12.

[4]韓林海.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)-理論與實(shí)踐[M].科學(xué)出版社，2004，3.