ANSYS应用实例：钢筋混凝土简支梁数值模拟

（ii ）纵向钢筋：PIPE20 （iii ）横向箍筋：PIPE20

2.2 材料性质

（i ）、混凝土材料

表5-4 混凝土材料的输入参数一览表[16~19]

·单轴受压应力-应变曲线（εσ-曲线）

在ANSYS ○R

程序分析中，需要给出混凝土单轴受压下的应力应变曲线。在本算例中，混凝土单轴受压下的应力应变采用Sargin 和Saenz 模型[17,18]：

2

21⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=

c c s c c E E E εεεεε

σ （5-30）

式中取4'

4')108.0028.1(c c c f f -=ε；

断面图配筋图断面图配筋图断面图配筋图RCBEAM-01 RCBEAM-02 RCBEAM-03

图5-12 各梁FEM模型断面图

（a）单元网格图（b）钢筋单元划分图

图5-13 算例（一）的FEM模型图

2.4 模型求解

在ANSYS○R程序中，对于非线性分析，求解步的设置很关键，对计算是否收敛关系很大，对于混凝土非线性有限元分析，在计算时间容许的情况下，较多的求解子步（Substeps）或较小的荷载步和一个非常大的最大子步数更容易导致收敛[2]。在本算例中，设置了100个子步。最终本算例收敛成功，在CPU为P41.6G、内存为256MB的微机上计算，耗时约为8小时。

2.5 计算结果及分析

2.5.1 荷载—位移曲线

图5-14为ANSYS○R程序所得到的各梁的荷载-跨中挠度曲线，从图中可以看出：

（i）、梁RCBEAM-01：曲线形状能基本反映钢筋混凝土适筋梁剪切破坏的受力特点，而且荷载-跨中挠度曲线与钢筋混凝土梁的弯剪破坏形态非常类似，即当跨中弯矩最大截面的纵筋屈服后，由于裂缝的开展，压区混凝土的面积逐渐减小，在荷载几乎不增加的情况下，压区混凝土所受的正应力和剪应力还在不断增加，当应力达到混凝土强度极限时，剪切破坏发生，荷载突然降低。

（ii）、梁RCBEAM-02：荷载-跨中挠度曲线与超筋梁的试验荷载-跨中挠度曲线很相似，在荷载达到极限情况下，没有出现屈服平台，而是突然跌落。极限弯矩值相对梁RCBEAM-01增加约30%，与受拉区配筋率的增加量（100%）相比要低，表明受拉区所增加的钢筋没有完全发挥作用，与超筋梁类似。

（iii）、梁RCBEAM-03：荷载-跨中挠度曲线形状介于适筋梁与超筋梁的试验曲线之间，随着挠度的增加，荷载几乎成线性地增长，在荷载达到极限情况下，曲线出现一个较短的屈服平台，随后出现突然跌落情况。由于受拉区配筋量的加倍，极限弯矩值增加较大，相当于梁RCBEAM-01的两倍，表明受拉区所增加钢筋发挥了完全作用。

表5-6 计算结果与理论值比较

表5-6为理论计算结果与ANSYS○R程序计算结果的对比，从表5-6中可以看出，

（1）、ANSYS○R程序计算的跨中最大弯矩值与理论计算值比较接近，RCBEAM-01和RCBEAM-02最大剪力比梁的斜截面抗剪能力低，即纵筋屈服决定梁的承载能力，压区混凝土的剪断决定梁的最大变形能力，梁的强度仍然由跨中垂直截面弯曲强度决定；而RCBEAM-03的最大剪力比梁的斜截面抗剪能力要大，所以，梁的极限承载能力由梁的斜截面抗剪能力决定，但从表中也可以看出，极限状态下的最大弯矩计算值与理论计算值比较接近，表明梁ANSYS○R程序计算的抗剪能力值为203.433kN，比理论计算的148.9kN值高，这可能是因为纵筋的梢栓作用比较突出。

从表5-6还可以看出，在纵筋屈服时刻，ANSYS○R程序计算的梁跨中最大挠度值比理论计算值略小，原因可能是由于没有考虑钢筋-混凝土之间的粘结滑移，而使整个梁的整体刚度有所增加。

2.5.2 混凝土应力-应变本构关系比较

图5-15为混凝土应力-应变曲线计算结果和输入曲线对比图，从图中看出，混凝土计算输出本构关系与输入曲线吻合较好。

2.5.3 钢筋应力发展曲线