基于ANSYS的预应力混凝土梁地震时间历程分析

摘要：本文以一根预应力混凝土梁为模型，应用ansys模态分析，确定其固有频率，并与非预应力混凝土梁比较。之后进行时间历程分析，对其在地震动作用下的规律及受力特点进行探讨，找出其薄弱环节并进行改进。

关键词：预应力梁 模态分析 时程分析

引言

预应力混凝土构件所具备的可延缓构件开裂，提高构件抗裂度以及构件刚度，且可以节约钢筋，减轻构件自重，目前已广泛应用于对裂缝控制等级较高和对构件刚度及变形控制较严格的工程之中，业已取得巨大的经济技术效益。

本文以一根预应力混凝土梁为模型，对其进行模态分析和时间历程分析，从而对其在地震作用下的薄弱处进行改进。

一、模型概况

本文中的预应力混凝土混凝土梁模型，跨长为6m，截面尺寸b×h=0.3m×0.5m，预应力筋采用高强钢丝，具体参数：混凝土弹性模量2.0×1010Pa，泊松比0.2，钢筋弹性模量3.6×1011Pa，泊松比0.3，线膨胀系数2.0×10-5Pa。模型中，混凝土采用Solid65单元，高强钢丝采用Link8单元，预应力施加采用等效温度法，即在给定的温度下使结构获得一定的的应变，从而达到使结构具有一定应力的效果。

二、有限元分析

建筑物的地震响应主要受地震动峰值加速度控制，且与建筑物所处的建筑场地、地基土类型、地震动的持续时间以及建筑物的固有属性有密切关系。文中按构件处于7级多遇地震，第一组，III类场地，按照《建筑抗震设计规范》（GB50011—2010），取水平地震影响系数最大值αmax=0.08，Tg=0.45,构件的阻尼比取0.05，按规范中所给的地震影响系数曲线确定有限元分析中的频率值及所对应的反应谱值。

地震波采用“中国天津（1976）地震竖向记录”，记录时长为5s，时间间隔为0.01s，场地为III类，记录型号为竖向加速度，进行处理之后录入使用。

1、模态分析

对于模态分析，采用Subspace 模态提取法，提取模态为8阶。下表为该混凝土梁在有预应力和无预应力下的8阶固有频率。

从上表中可知，预应力混凝土梁的固有频率高于无预应力混凝土梁，这是由于预应力的存在，使得构件的刚度增大，亦或在同等受力下减少结构的尺寸，从而减少结构自重。固有

频率增大，即自振周期的减小，使构件消散地震能量的能力提高，抗震性能得到优化。

2、时间历程分析

对于时间历程分析，采用允许结构有非线性的Full求解法。采用中国天津地震竖向记录，分别沿梁的x轴，y轴输入地震动加速度值，解出预应力混凝土梁的挠度峰值，并与无预应力混凝土梁的相比较，如下表所示。

从上表中可以看出：

（1）地震动作用下，预应力混凝土梁轴向(X方向)位移大于无预应力混凝土梁，且相差3个数量级，这是由于预应力筋使构件受到轴向的预压力，从而产生轴向较大的位移。

（2）地震动作用下，混凝土梁轴向(X方向)位移峰值都出现在右端点处，这是由于右端点只限制了Y方向的自由度。

（3）地震动作用下，预应力混凝土梁竖向(Y方向)位移小于无预应力混凝土梁，相差1个数量级，由于预应力的存在增大了构件刚度，同时预应力筋回缩，使构件产生反向位移，可以有效的延缓混凝土构件的开裂。

（4）地震动作用下，混凝土梁竖向(Y方向)位移峰值都出现在跨中处，这与构件的约束只有两端点提供，跨中无约束相适应。

三、结束语

从以上分析，预应力混凝土梁在地震动作用下轴向变形较大，结合抗震的一般原则中“强节点，弱构件”加强构件节点，可以在某种程度上减小轴向变形。构件的竖向位移峰值发生在跨中处，振动一般呈现负向位移，所以张拉控制应力的施加要合适，否则可能引起构件某些部位的开裂，不能有效的提高构件的抗裂度和刚度。

同时，现实中的地震动有很大的随机性，且结构受场地、地基土，以及结构自身固有属性的影响也较大，因此结合概率确定的地震烈度，并在随机振动理论的基础上，充分结合结构所处的环境以及自身的特点，是完善结构抗震验算的最佳选择，也必将是今后抗震设计的研究方向。

参考文献:

[1]郝文化.土木工程应用实例[M].中国水利水电出版社.2005.

[2]GB50011-2010.建筑抗震设计规范[S].中国建筑工业出版社.2010