钢筋混凝土梁非线性分析作业

钢筋混凝土梁非线性分析

主要内容

第一部分：荷载及梁的尺寸

第二部分：建模

第三部分：加载、求解

第四部分：计算结果及分析

第一部分：荷载及梁的尺寸

材料性能：

混凝土弹性模量E=25500MPa,泊松比ν=0.3,轴抗拉强度标准值为1.55MPa,单轴抗压强度定义为-1，则程序不考虑混凝土的压碎行为，关闭压碎开关。裂缝张开传递系数0.4,裂缝闭合传递系数1 。钢筋为双线形随动硬化材料，受拉钢筋弹性模量E=200000MPa, 泊松比ν=0.3,屈服应力=350MPa，受压钢筋以及箍筋E=200000MPa，,泊松比ν=0.3，屈服应力=200MPa。

第二部分：建模

由于对称约束，只需要建立1/2模型即可，在对称面上可以采用对称约束。建立好的模型见下图：

(1)进入ANSYS，设置工程名称为RC-BEAM

(2)定义分析类型为结构分析

(3)定义单元类型在单元库中选65号实体单元为二号单元，建立混凝土模型；选LINK8单元为一号单元，模拟钢筋模型；定义辅助网格单元MESH200及其形状选择。

1)钢筋混凝土有限元模型的合理选用

①整体式

整体式有限元模型是将钢筋弥散于整个单元中，将加筋混凝土视为连续均匀材料，求出的是一个统一的刚度矩阵。该方法优点是建模方便，分析效率高;缺点是不适用于钢筋分布较不均匀的区域，且不易得到钢筋内力。主要用于钢筋混凝土板、剪力墙等有大量钢筋且钢筋分布较均匀的构件。

②组合式

组合式有限元模型是将纵筋密集的区域设置为不同的体，使用带筋的SOLID65单元，而无纵筋区则设置为无筋SOLID65单元。这样就可以将钢筋区域缩小，接近真实的工程情况。这种模型假定钢筋和混凝土两者之间的相互粘接良好，没有相对滑移。在单元分析时，可分别求得混凝土和钢筋对刚度矩阵的贡献，组成一个复合的、单元刚度矩阵。

③分离式

分离式有限元模型采用SOLID65来模拟混凝土，空间LINK8杆单元来模拟纵筋，这样的建模能够模拟混凝土的开裂、压坏现象及求得钢筋的应力，还可以对杆施加预应力来模拟预应力混凝土。钢筋单元与混凝土单元共用节点,以实现整体工作过程中自由度的耦合。缺点是建模比较复杂，单元较多，且容易出现应力集中拉坏混凝土的问题。

2)单元选取及其本构关系

对于混凝土材料模型，ANSYS可通过专门的单元类型SOLID65(三维钢筋混凝土实体单元)和专门的材料模型CONCRETE来实现;而混凝土结构中的钢筋的主要作用是承受轴向的拉力或压力,因此，钢筋单元可选用LINK8杆单元，材料采用随动硬化双线性弹塑性(Kinematic hardening plasticity)模型。这样，由实体单元SOLID65 和杆单元LINK8共同构成的钢筋混凝土模型能很好地反映钢筋混凝土的特性，模拟出其压碎及开裂的破坏过程。

2)．1混凝土单元

SOLID65单元具有八个节点，每个节点有三个自由度，即具有X、Y、Z三个方向的线位移;采用整体式模型时还可对三个方向的含筋情况进行定义。该实体模型可具有拉裂与压碎的性能。CONCRETE材料特性用的是William-Wamke 五参数破坏准则和拉应力准则的组合模式，可以自由定义混凝土开裂后裂缝张开和闭合时的剪力传递系数、混凝土的应力一应变关系以及混凝土的单向和多向拉压强度等。

混凝土采用William-Wamke五参数破坏准则，程序将根据SOLID单元8个积分点上的多轴应力状态和破坏准则判断材料发生何种破坏，如果使用ANSYS 中的塑性模型考虑混凝土材料的塑性行为，塑性只能发生在W-W五参数准则所定义的破坏面以内。一旦材料超出了破坏面，将进入破坏状态。前两个参数的取

值范围是0-1,1表示建立完全传递，0表示完全没有剪切传递作用，本题混凝土张开裂缝的剪力传递系数取0.4,闭合裂缝的剪力传递系数取1。单轴抗拉强度取

1.55，单轴抗压强度取-1。

2)．2钢筋单元

ANSYS中钢筋一般选用LINK8单元和随动硬化双线性弹塑性模型。该单元既能承受拉力，同时又能承受压力。随动硬化双线性弹塑性模型适用于遵从von-Mises（米塞斯屈服准则的物理意：在一定的变形条件下，当材料的单位体积形状改变的弹性位能（又称弹性形变能）达到某一常数时，材料就屈服。）屈服准则的材料，应力应变曲线如图3所示，曲线OA1段的斜率代表材料的弹性模量，曲线A1B1段的斜率代表材料的切线模量，A1为材料的屈服强度，B1为材料的极限强度，切线模量不能小于零，同时也不能大于弹性模量。

2）．3钢筋与混凝土之间的联结单元

在钢筋混凝土结构采用分离式建模时，钢筋与混凝土之间的作用方式一般有两种:第一种是不考虑钢筋与混凝土之间的滑移，即假设钢筋和混凝土之间位移完全协调。处理办法就是钢筋混凝土模型在划分单元时让混凝土单元和钢筋单元(包括纵向受力筋和箍筋)共享节点。

第二种是在钢筋单元和混凝土单元在同一坐标位置的节点之间增设虚拟的单元，模拟他们二者之间的粘结滑移，这样可以进一步提高分析的精度。目前这种粘结单元常用非线性弹簧单元COMBIN39进行模，该单元可以很方便地设定界面上的剪力一滑移关系，但该COMBIN39单元只能模拟一个方向(比如X方向)的粘结，另外两个方向(Y，Z)只能使节点位移耦合，表示粘结刚度无限大，以致钢筋单元和混凝土单元的相应节点在Y、Z两方向上没有相对位移。分析结果的准确程度主要取决于弹簧刚度的取值。

(4)定义实常数

这一步根据钢筋的直径等材料的信息定义。

(5)定义材料属性

这一步添加三个材料模型，分别是混凝土材料模型，受拉钢筋模型，受压钢筋和箍筋模型。输入弹性模量，泊松比和屈服强度等值后完成材料属性定义。

（6）创建半个模型所有节点

部分节点图片

创建横截面上节点