混凝土收缩徐变空间计算程序

混凝土收缩徐变空间计算程序 第36卷第6期 2010年2月 山西建筑 SHANXIARCHITErI瓜E V01.36No.6 Feb.2010?1? ? 专家专稿? 文章编号:1009.6825{2010}06—0001.03 混凝土收缩徐 孥君风 变空间计算程序 吴迅李毅 摘要:根据混凝土的徐变,收缩原理,用按龄期调整的有效模量嵌入程序中计算混凝土的徐 变,收缩效应,解决了混凝 土结构的实体模型收缩徐变的计算机模拟问. 关键词:空间计算,8节点等参有限元,混凝土徐变,收缩 中图分类号:TU375文献标识码:A 目前在桥梁结构分析过程中主要依靠桥梁结构专用程序进 行整体分析,而依靠大型通用有限元程序进行桥梁结构整体和局 部范围的细部分析.这意味着在设计一个稍微复杂的桥梁时,设 计者们通常根据需要,利用不同的程序针对同一桥梁结构重复构 建模型,不仅大大增加了设计者的工作量,而且往往由于不同程 序之间相互配合处理不当导致计算结果失真.此外,大型通用有 限元程序在解决混凝土结构问题时,混凝土收缩徐变的计算这方 面也不是很完善. 针对以上问题,从整体和局部分析混凝土结构的应力应变特 征,要求程序的编写能从空问模拟混凝土,并且能够方便准确的 计算混凝土的徐变,收缩. 1程序简介 本自编程序适用于Windows2000,WindowsXP及Windows 2003等操作系统,采用MicrosoftVisualStudio.NET2003中的 MFC7.1(Micr(xsoftFoundationClassLibrary)开发,是一套能够和 用户进行实时信息交换的可视化3D结构分析程序,界面见图1. 其既可以通过GUI界面利用鼠标进行控制计算,又可以通过输 入命令的方式进行操作. 树形菜单主程序菜单工具条 命令流输入栏命令流显示栏前后处理图形显示区域 图1程序主界面 本程序用自编的参数化设计语言生成数据.图2是自编程 序中数据读入并执行相应函数的流程图.参数化设计语言的核 心内容为宏,参数,循环命令和条件语句,通过它们的组合可以建 立参数化模型来自动完成一些通用性强的任务;可用来自动完成 有限元常规分析操作或通过参数化变量方式建立分析模型的脚 本语言.参数化设计语言允许复杂的数据输入,使用户实际上对 任何设计或分析的属性都有控制权,如模型的尺寸,材料的性能, 荷载,边界条件施加的位置等.通过精心的,就可以利用参 数化设计语言创建一个完善的分析. 图2参数化设计语言实现流程图 进行有限元分析的过程包括:定义模型,加载,求解和输 出结果.假如求解结果表明要修改设计,那么就必须修改模型的 几何尺寸并重复上述步骤;或者当结构状态改变,命令后的参数 也会有所改变,因此也必须重新修改模型,这对设计者而言相当 不方便.特别当模型较复杂或修改较多时,这个过程就很复杂和 费时,而且还不能保证修改的完全性. 本自编程序提供的参数化设计语言输入,能以更方便的 方式进行模型编辑,是一种高效的参数化建模手段.它允许复杂 的数据输入,使用户实际上对任何设计或分析的属性有控制权. 具体步骤如图3所示. 2空间8节点等参单元 桥梁结构细部分析是空间求解问题,解决此类问题的方法就 是建立用三维坐标描述的空间模型进行求解.用六面体来分割 空间区域能清楚地区分各个六面体之间的相互关系,因此用六面 体来进行有限元分割是最方便的. 所谓等参单元,如图4所示,是指把任意面体单元(实际单 元)看成自然坐标系.勖中的立方体单元(母单元)”映射”到整 体坐标系oxyz中发生了”畸变的影像”.之所以要建立这样的映 射,是为了能在自然坐标系中比较方便地分析形状规则的母单元 的位移模式,需要注意的是自然坐标系是附着在单元上的参数曲 线坐标,是无量纲的. 所以有: . 32(,,)=al+以2+a3+a4+a5+a6+a7+口8 收稿日期:2009—1027 作者简介:李君风(1985一),女,同济大学桥梁工程系硕士研究生,上海200092 吴迅(1959.),男,教授,同济大学桥梁工程系,上海200092 李毅(1984.),男,中交公路规划设计院有限公司,北京100088 .2.第36卷智山西建筑20102?-年月 (,17,r)=a9+aloe:+all+a12+a13匈+a14g+a15+n160 (,,)=a17+a18~+a1917+a2o+a21匈+a22g+a23+口24 (1) 否 闰3自编参数化设计语言建模流程图 2(1,一1,一1) 5s,s,z5) 2(x2,Y2,2)3(x3,Y3,z3) 图4等参单元与母单元的坐标对应图 将8个节点的整体坐标,自然坐标值代入式(1)的三个方程 中,可以求出n1,a24,再将它们代回方程中,可得式(1)的另一种 表达方式: 其中,=(1+)(1+)(1+)/1B,称为形函数,因为 自然坐标系中的母单元是一个规则的立方体,所以研究它的位移 模式要简便的多.同时由于式(2)是满足相容方程的函数,所以 可以用”,,W(位移分量)代替式(2)中的z,Y,z,即用坐标变换 的形函数来构造位移插值函数: 888 = ?=?,W=?Niw(3) 显然,式(3)是一种线性位移模式,且单元内和单元问的位移 连续.因此等参单元实质上就是位移插值函数和坐标变换函数 采用同一形函数的单元. 位移模式确定以后,单元内部各点的应变,应力均可推导出 来,再利用最小势能原理建立起单元刚度矩阵.每一个8节点等 参元中有单元平衡方程: [k]{}{F}(4) 单元刚度矩阵: [k]=…[B][D][B]dV(5)V 其中,[k]为一个12×12的矩阵.由于[B],[D]都是常数矩 阵,所以[是]也是一个常量矩阵,并且: [志]=[B]T[D][B]V(6) 桥梁由于其结构形式的多样性,其组成构件也各不相同.尤 其是对于受力及约束条件较为复杂的构件,在进行构件内部的应 力分析时,用传统的材料力学或弹性力学的方法只能做到构件的 简化计算结果,无法得到精确结果.如果采用空间8节点等参单 元作有限元分析,将避免对构件的原始状态的过渡改变,可以较 为准确地计算各点的应力. 3混凝土收缩徐变有限单元法 在工作应力下,混凝土的弹性应变和徐变应变都与应力成线 性关系.因此,只要总应力不超过混凝土强度的50%左右,分批 施加应力所产生的应变可以采用叠加原理.H.Trost教授从混凝 土应力一应变的线性关系和叠加原理出发,引入了老化系数(松 弛系数)的概念,并假定混凝土弹性模量为常数,推导出在不受荷 载下,由徐变,收缩导致的应变增量和应力增量之间关系的代数 方程表达式: Ae(t,r)=()+丛[1+(?)()]+() (7) ,(,)=[1+(,,r)]+[1+()()]+(,,r) (8) 其中,Ae(t,r)为从开始加载时刻r至时刻t的时间内的应 变增量;Aa(t,r)为从开始加载时刻r至时刻的时间内的应变 增量;E为混凝土弹性模量(假定为常数);(t,r)为从r到t时 间内的徐变系数;e(,r)同上述时间内的收缩应变增量;(,,r) 为老化系数,可根据所采用的徐变系数表达式进行推算. 设为计算时刻,用较精确的形式将应力与应变的关系表达 为: ?e(ti,ti1):=[1(,,,一)(,,,一-)][j:.Z~r,(ti,)[(f,)——(一-,z)]e(,,一)](9) 其中,?(,t一1),瓴(tf,t一1)分别为t一1至t时间内由式(9)考虑了混凝土弹性模量随时间的 变化,还考虑了初应 徐变与收缩引起的应变增量和应力增量;Aa(t)为时刻t的应力力和初应变形成的历史.注意 到: ;时间生饷收缩应变增量;(ti,ti-1t:1titi1titi1E(岛)为时刻的弹性模量. +【,一,【,一, , ) } 一 l D — ? ll ? 【I . ? = z 第36卷第6期 2010年2月 山西建筑 SHANXIARCHITECTURE VoI_36No.6 Feb.2010?3? ? 规划?建筑? 文章编号:1009—6825{2010)06—0003—03 老年住宅小区建设方案研究* 郝鹏李锦华路芳 摘要:为提升老龄人口居住质量,在调查研究基础上进行了归纳总结,针对老年住宅小区建 设的基本要求,提出了老年 住宅设计方案,住宅小区公共服务设施和生态环境建设方案,从而解决了老年人的养老问题. 关键词:老年住宅,公共服务设施建设,生态环境建设 中图分类号:TU984.12文献标识码:A 由于我国老年人口基数过大,同时由于计划生育政策的执 行,养老问题更加突出.目前我国的养老模式仍以传统的家庭养 老为主,但在社会服务系统完善以前,这种养老方式已越来越难以 适应未来社会发展的需要.而”社会养老”又存在明显的不足,同 时很难设想政府能够拿出一笔巨大的资金建立众多的养老机构. 为了提高老年人的生活质量:1)要发挥社会各界力量,调动 社会各界的积极性,通过各种方式建立完善的服务系统,通过良 好的社会服务帮助老年人在原有住所内安度晚年;2)建设适合老 年人居住的住宅,或对现有住宅进行改造,以适应老年人需要,使 家庭养老成为可能. 1老年住宅小区建设要求 1.1选址要求 老年人居住区环境是保证老年人居住生活质量的首要条件. 老年人居住区应位于交通方便,基础设施完善,临近医疗设施,地 势平坦,自然环境较好,阳光充足,远离噪声和污染源的地段,并 应着重考虑以下方面:1)必须避开严重大气污染,水污染和有地 震灾害隐患的地区;2)要远离噪声源和高噪声区;3)避免交通干 线邻近穿越,以使居民免受严重的交通,噪声干扰和工农业有害 排放物的污染与侵害. 1.2小区规划要求与住宅设计要求 1)建立完善的社区服务体系和社区文化设施.2)居住区规 划和住宅设计中应注重老年人户外活动空间的设计.3)在居住区 并设: 叩(ti,ti-I)=[(,)一(一l,.)](11) 代入式(12),若以?(t,t一1)为通过形心的应力增量,则 轴力增量可表示为: ?N(t,tH)=A(t,tH)[As(ti,ti一1)一 霎e(ti,ti-1](12 其中,A为混凝土截面面积. 简化计算结果,无法得到精确结果.如果采用空间8节点等参单 元作有限元分析,将避免对构件的原始状态的过渡改变,可以较 为准确地计算各点的应力. 运用按龄期调整有效模量法计算混凝土的徐变,收缩效应, 按照荷载加载的顺序,分布计算.在计算单元的刚度矩阵时,将 E用(t,t1)代替,方便的计算混凝土的收缩徐变效应. 参考文献: [1]晏育松.混凝土收缩,徐变的计算理论[J].科技广场,2007 (4):25—26. 由以上公式可知,如用龄期调整的有效模量E(t,ti-1)代替[2]项海帆.高等桥梁结构理论[M]. 北京:人民交通出版社, 混凝土的弹性模量E,则在第t—t,1个时间内,因徐变,收缩产2001. 生的应力或内力增量一应变增量时间具有线性关系,因而可以利[3]朱伯芳.有限单元法原理 与应用[M].第2版.北京:中国水 用节弹性结构的方法来求解混凝土结构的徐变和收缩问题.在利水电出版社.1998. 采用刚度法时,只需将刚度矩阵式(6)中计算D时,将E用E[4]王勖成,邵敏.有限单元法基本 原理和数值方法[M].第2 (,一1)代替即可.版.北京:清华大学出版社,1997. 4结语[5]周履,陈永春.收缩徐变[M].北京:中国铁道出版社, 桥梁由于其结构形式的多样性,其组成构件也各不相同.尤1994. 其是对于受力及约束条件较为复杂的构件,在进行构件内部的应[6]李毅.基于空间等参元并 考虑预应力效应的桥梁分析程 力分析时,用传统的材料力学或弹性力学的方法只能做到构件的序开发[D].上海:同济大学 硕士学位论文,2008. Thecalculatingprogramofconcreteshrinkagecreepspace LIJun-fengWUXunLIYi Abstract:Accordingtoconcretecreep,shrinkageprinciple,theconcretecreepandshrinkageeffectwasc alculatedwiththeagedregulatingef— fectivemodulusembeddedprogram.thefullscalemodelshrinkageandcreepcomputersimulatingprobl emofconcretestructureWasresolved. Keywords:spacecalculation,eightjointsisoparametricfiniteelement,concretecreep,shrinkage 收稿日期:2009.10—27*:天津市建委软科学研究课题(项目编号:2008一软26) 作者简介:郝鹏(1975.),男,副教授,天津城市建设学院,天津300084 李锦华(1963一),女,教授,天津城市建设学院,天津300084 路芳(1975一),女,高级工程师,天津市建设管理委员会,天津300051