组合梁有限元分析

混混混混钢钢
混混混混钢钢 弹弹钢钢
弹弹钢钢 钢钢钢钢钢 钢钢钢钢钢
系列讲座之6
分析实例3－单根简支组合梁
分析模型－材料：
• 钢材：双线性随动强化材料，BKIN。Q235，屈服点270MPa，弹 性模量2.06e5，泊松比0.3。强化模量3000MPa，极限强度430MPa。 • 混凝土：本构关系：
系列讲座之6
组合梁有限元分析
田春雨 清华大学土木工程系 2004.5.13
系列讲座之6
组合梁结构简介 弹性分析模型
分析实例1：组合梁桥 分析实例2：组合楼盖
塑性全过程分析模型
分析实例：单根简支组合梁
系列讲座之6
组合梁结构简介
建筑结构
桥梁结构
系列讲座之6
组合结构简介
按梁截面：箱形，工字型等
按结构形式：简支，连续等 按混凝土板形式：有板托，叠合板组合梁，压型钢 板组合梁
•
•
系列讲座之6
分析实例2－组合楼盖
• 结构概况：
混凝土柱
混凝土梁 h=250mm 250 钢－混凝土组合梁 320X24 1100 钢－混凝土组合梁 1046X24 600X30 组合梁截面
系列讲座之6
分析实例2－组合楼盖
分析目的：
• 选择合适组合梁截面，计算内力、应力、变形、反力等结果， 用于设计。
•
系列讲座分析过程：
• 赋单元类型、材性和实常数，分网。先划分钢梁，再分 混凝土板。保证混凝土板网格与钢梁上翼缘网格完全一 致。钢板均为四边形网格，混凝土板为6面体。单元边长 约为1m。先、后浇混凝土用不同材料加以区分。 加约束。加载。 弹性计算。各阶段计算完成后，读取各需要位置的应力、 变形、反力等结果，按相同文件格式写入文本文件，而 后导入excel进行组合和分析。
V(kN) 30 25 20 15 10 5 0 0 0.2 0.4 0.6 s(mm) 0.8 1 非线性剪切滑移关系 简化栓钉刚度
V = Vu (1 − e )
ns
m
• 其中V为栓钉承受的剪力，Vu为栓钉极限承载力，按规范计算。 S为滑移量，n和m为参数，可取为0.7和0.56。 • 钢筋：双线性随动强化材料，BKIN。一级钢，屈服点210MPa， 弹性模量2.06e5，泊松比0.3。强化模量2000MPa，极限强度 400MPa。
分析方法选择：
• 手算各根梁截面抗弯刚度，采用梁单元计算，板单元用来导荷 载，进行弹性分析。得到梁上内力，用于极限承载力验算。用 sap2000比较方便。 • 钢梁采用壳单元，混凝土板采用壳单元，中间采用刚性梁单元 和弹簧单元连接。进行弹性分析。计算钢梁应力和变形、混凝 土板内力和变形。
系列讲座之6
分析实例2－组合楼盖
分析模型－单元
• • • • 钢板shell63， 混凝土板shell63， 栓钉beam4+combin14。 栓钉中，梁单元上端与 混凝土单元节点耦合， 下端沿梁轴线方向与钢 梁上翼缘节点用弹簧单 元连接，其它方向自由 度耦合。
刚刚钢钢钢 z 壳钢钢
弹弹钢钢 x 壳钢钢
z 刚刚钢钢钢
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分析方法及模型的选择
分析目的
设计 研究
分析方法
模型
弹性模型：
梁＋壳单元，壳＋壳单元，壳＋块单元 是否考虑滑移
塑性模型
壳＋壳＋弹簧单元 壳＋块＋弹簧单元
系列讲座之6
分析实例1－组合梁桥
结构概况：
某立交匝道桥，3跨，跨度25m，横向宽度10m，上 部结构为钢－混凝土连续组合梁，单箱双室，上翼 缘顶部通过剪力钉与现浇混凝土桥面板结合，形成 组合截面共同受力。
系列讲座之6
分析实例3－单根简支组合梁
建模过程：钢梁及混凝土板采用先建面和体，再分网的方
• • • • • • • 法。钢筋和栓钉直接建立单元。步骤如下： 建钢梁及混凝土板的面和体; 赋属性，分网; 建钢筋单元; 建弹簧单元; 约束，加载; 设定分析选项，开始非线性分析; 结束分析，读取结果为文本文件进行后处理。
1
ELEMENT SOLUTION
X STEP=1 YSUB =1
TIME=1 SX (NOAVG) RSYS=0 DMX =25.479 SMN =-65.483 SMX =103.597 MN
FEB 13 2004 16:31:00
MX
MN
MX
-26.738 -23.755
-20.773 -17.79
• • • •
系列讲座之6
分析实例1－组合梁桥
建模分析过程：
• • 设置材料，单元实常数等。 建钢梁主体模型，包括翼板、腹板和翼板加劲肋。 如果是等截面钢梁，先生成横截面线条，再利用 extrude命令沿桥轴线拉伸生成模型主体。如果是变 截面钢梁，根据变宽或者变高的规律，改变生成主 体部分的方法，主要利用拉伸和切割命令。如果钢 梁为开口，模型中上表面最好全部建成面，但只有 上翼缘位置赋予材料和实常数。便于生成混凝土板， 也便于分网时与混凝土单元协调。
L/2 L/2
x
y o
分析目的：研究。 分析方法：全过程分析，考虑滑移。
系列讲座之6
分析实例3－单根简支组合梁
分析模型－单元
• 钢板shell43，混凝土板solid65，钢筋link8，栓钉combin39。 • 钢梁上翼缘shell单元节点与混凝土块单元节点在x方向通过弹簧 单元连接，其它自由度耦合。
-14.808 -11.825
-8.842 -5.86
-2.877 .105345
-65.483 -46.696
-27.91 -9.123
9.664 28.45
47.237 66.024
84.81 103.597
竖向变形
钢梁应力
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分析实例3－单根简支组合梁
结构概况：单根简支组合梁。
P o
系列讲座之6
分析实例2－组合楼盖
建模过程：
• • • • • • 设置单元，材料，实常数等。 生成混凝土板和各梁主体。在各梁交点进行切割。 手动分网。 生成刚性梁单元和弹簧单元。 加约束，加载。 计算，读取结果到文本文件，后处理。
系列讲座之6
分析实例2－组合楼盖
部分图形结果
1
NODAL SOLUTION STEP=1 SUB =1 TIME=1 Z UZ Y(AVG) RSYS=0 X DMX =26.738 SMN =-26.738 SMX =.105345 FEB 13 2004 16:30:21
壳钢钢
弹弹钢钢 y 壳钢钢
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分析实例2－组合楼盖
分析模型
• 材料：钢与混凝土为线弹性，按规范取弹性模量。栓钉 所用beam4单元取一较大弹性模量使其没有变形，弹簧单 元刚度按栓钉刚度计算，根据实际栓钉数目与间距，在 模型中进行等效。 • 约束：各梁段均为简支。约束梁端腹板竖向和侧向平动 自由度。 • 荷载：自重，装修层重量，覆土自重，温度及混凝土收 缩，均布活荷载。
• •
系列讲座之6
分析实例1－组合梁桥
建模分析过程：
• 建模时注意支座位置和桥面横向加载位置要有关键 点用于加约束和荷载。 按照阶段，进行加载计算，各阶段计算中，注意各 部分混凝土状态，是只作为荷载还是作为组合截面 参与受力。 所有建模及读取结果过程均采用apdl，设计中需要经 常的结构尺寸、材料属性及实常数、约束位置、荷 载位置及大小等均以参数形式表示，便于调整。
分析目的：
各荷载工况下的应力、变形及支座反力，基本振型 及周期。用于设计。
系列讲座之6
分析实例1－组合梁桥
系列讲座之6
分析实例1－组合梁桥
分析模型：
• 桥梁结构中应力水平较低。本结构中，钢板中应力最大约在 150MPa，混凝土中拉应力最大不超过2MPa，压应力12MPa。 剪力连接件较多，滑移很小。混凝土板中钢筋应力水平很低。 所以模型中，只考虑混凝土和钢板，忽略滑移和混凝土板内 钢筋，仅进行弹性分析。具有足够精度。钢梁模型中忽略腹 板加劲肋和横隔板加劲肋。 单元：钢板shell63，混凝土板solid45。 材料：线弹性。按规范取弹性模量。 约束：按照支座类型，直接约束相应位置节点平动自由度。 荷载：自重，铺装重量，温度及混凝土收缩，活荷载（车道 和车辆荷载），支座沉降。
αx + (3 − 2α ) x 2 + (α − 2) x 3 , x ≤ 1 y= x α ( x − 1) 2 + x , x ≥ 1
y=
σ ε ,x = σ0 ε0
破坏准则采用William-Warnker的五参数模型.
系列讲座之6
分析实例3－单根简支组合梁
分析模型－材料：
• 剪力连接件本构关系采用
系列讲座之6
分析实例1－组合梁桥
建模分析过程：
• 建横梁。根据横梁形式，利用asbw命令切割主体模型分 段，单独建立横梁。生成横梁的命令可写成子程序形式 重复利用，横梁位置和宽度作为参数。重复利用切割命 令由于模型中面数量逐渐逐渐增多，处理速度较慢，但 是便于利用APDL建模，需要命令较少。 建混凝土板。两种方法：（1）先画出横截面，利用 extrude命令沿桥轴线拉伸。在横梁位置切割。（2）利用 钢梁上表面向上extrude生成混凝土板，再切割成截面所 需形状。混凝土板沿纵、横向的划分要与钢梁上表面相 符，便于划分网格。