基于ANSYS的钢筋混凝土梁非线性分析

基于ANSYS的钢筋混凝土梁非线性分析
赵广叶
【摘要】介绍了基于ANSYS软件钢筋混凝土结构非线性有限元分析的技术要点
以及分析中需要注意的问题,用ANSYS对一根钢筋混凝土筒支梁进行非线性全过
程分析,研究钢筋混凝土梁荷载与跨中挠度关系、刚度变化规律、破坏特征、裂缝
发展形态以及钢筋、混凝土应力发展过程,并与理论计算结果进行了对比分析.
【期刊名称】《山西建筑》
【年(卷),期】2010(036)003
【总页数】2页(P65-66)
【关键词】ANSYS软件;非线性有限元分析;理论计算
【作者】赵广叶
【作者单位】同济大学,上海,200092
【正文语种】中文
【中图分类】TU375.1
ANSYS软件是融结构、流体、电磁场、声场和热场分析于一体的大型通用有限元分析软件,具有非常强大的非线性分析功能。

本文在介绍ANSYS中钢筋混凝土非
线性有限元分析实现过程的基础上,着重对一根典型的钢筋混凝土简支梁进行非线
性全过程分析,得到梁的荷载—跨中挠度曲线,对简支梁的刚度变化规律、破坏特征、裂缝发展规律进行研究,并与理论计算值进行对比。

1 钢筋混凝土结构ANSYS非线性分析
ANSYS分析时,钢筋混凝土结构的有限元模型主要有分离式和整体式两种模型[1]。

混凝土材料的本构关系可采用多线性等向强化模型MISO,多线性随动强化模型MKIN,DP模型等,钢筋可采用双线性随动强化模型BKIN和双线性等向强化模型BISO等。

当不输入本构关系时,在混凝土开裂和压碎前,ANSYS采用缺省的本构关系,即混凝土和钢筋均采用线性本构关系。

要输入混凝土的本构关系,则首先确定采
用何种单轴受压的应力应变关系。

该关系表达式众多,可参考相关资料或规范选取,
建议采用GB 50010-2002推荐公式或Hongnestad公式[2]。

2 钢筋混凝土简支梁非线性分析实例
以钢筋混凝土简支梁的数值模拟为例,对ANSYS非线性分析过程进行说明。

混凝
土采用C30,钢筋全部采用HRB335,混凝土保护层厚度30 mm,距两端支座500 mm处分别有一集中荷载作用于钢垫板上,垫板尺寸150 mm×100 mm。

2.1 承载力理论计算结果
开裂荷载:
2.2 ANSYS模型说明
混凝土采用Solid65单元,纵筋和箍筋采用Link8单元,不考虑钢筋和混凝土之间的粘结滑移。

混凝土单轴应力应变关系取GB 50010-2002规定的公式,下降段用Hongnestad方法来处理。

钢筋的应力应变关系取理想弹塑性模型,混凝土材料的
输入参数见表1,混凝土和钢筋的有限元模型见图1,图2。

表1 混凝土材料参数表弹性模量Ec/MPa泊松比υc单轴抗压强度fc/MPa单轴抗拉强度ft/MPa张开裂缝剪力传递系数βt闭合裂缝剪力传递系数βc 3×104 0.2 14.3 1.43 0.5 0.95
2.3 荷载—跨中挠度曲线
以理论计算结果为参考,调整外加荷载反复计算可求得极限荷载为136 kN,与理论计算值误差为3.03%,可见数值模拟结果与理论计算值吻合较好。

图3是ANSYS 计算得到的荷载—跨中位移曲线关系图,图4是简支梁刚度退化示意图。

由图4可以看出,跨中挠度大约为0.36 mm,荷载大约为18 kN(计算开裂荷载为20.94 kN)时简支梁开裂,开裂后梁刚度急剧退化,随后刚度的退化趋于稳定。

2.4 钢筋应力发展曲线
图5为梁受拉区、受压区纵向钢筋的应力发展过程曲线,从图5中可以看出梁中受压区钢筋首先达到屈服强度(300 MPa),并保持屈服强度直至极限荷载;梁中受拉区钢筋始终没有达到屈服强度(300 MPa),其最大应力为254 MPa。

2.5 裂缝形态及发展过程
首先在简支梁两端支座混凝土出现受拉裂缝,随着荷载增加,梁中部剪跨段内出现裂缝,裂缝首先只延伸到梁底部混凝土保护层范围。

接着,加载范围内裂缝开始往上延伸并倾斜,形成弯剪裂缝,同时距离支座一定范围内出现45°斜裂缝,裂缝继续发展直至支座处混凝土被完全压碎。

梁最终裂缝发展完全,具有较好的使用性能。

3 结语
1)Solid65是ANSYS提供的专门用于钢筋混凝土结构分析的单元,可以在一定程度上反映混凝土的压溃和开裂。

该单元中加入了混凝土的三轴本构关系以及破坏准则,同时包含了由弥散钢筋单元组成的整体式钢筋模型,能较真实再现钢筋混凝土结构典型的破坏特征。

2)用ANSYS进行数值模拟时,混凝土开裂前收敛比较容易,开裂
后变得十分困难。

这时可以通过调整网格密度和子步数,改变收敛准则等选项来加速收敛。

3)简支梁的非线性有限元分析中,ANSYS计算结果基本能反映简支梁荷载—位移关系,混凝土和钢筋的应力发展过程,混凝土裂缝的形态及发展等性能。

但是,支座处约束及加载方式的处理不当,以及参数选取的合理与否都会导致较大的计算误差[5]。

参考文献:
【相关文献】
[1]王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京:人民交通出版社,2007.
[2]尚小江,邱峰,赵海峰,等.ANSYS结构有限元高级分析方法与范例应用[M].北京:中国水利水电出版社,2006.
[3]顾祥林.混凝土结构基本原理[M].上海:同济大学出版社,2004.
[4]杨勇,郭子雄.基于ANSYS程序的钢筋混凝土梁非线性数值模拟[J].福建工程学院学
报,2005,3(6):628-632.
[5]田清彪.C80高强混凝土扁柱抗震性能的试验研究及数值模拟[D].上海:同济大学硕士学位论文,2008.
[6]杨晓军.钢筋混凝土加固梁的有限元分析[J].山西建筑,2008,34(34):84-85.。