ANSYS應用實例：鋼筋混凝土簡支梁數值模擬

1、2 ANSYS應用實例：鋼筋混凝土簡支梁數值模擬下面以鋼筋混凝土簡支梁的ANSYS程序數值模擬的應用實例，對ANSYS程序的應用方法及模擬效果進行驗證，梁的尺寸、配筋及荷載如圖5-9所示。鋼筋采用級鋼，混凝土強度等級為C30。a、梁的幾何尺寸及荷載示意圖RCBEAM-01RCBEAM-02RCBEAM-03b、梁斷面圖圖5-9 梁尺寸、配筋及荷載示意圖2.1 單元類型i混凝土單元：采用ANSYS程序單元庫中SOLID65單元。ii縱向鋼筋：PIPE20 iii橫向箍筋：PIPE202.2 材料性質i、混凝土材料表5-4 混凝土材料的輸入參數一覽表1619混凝土立方體抗壓強度彈性模量泊松比單軸抗

2、壓強度單軸抗拉強度裂縫間剪力傳遞系數張開閉合3024000·單軸受壓應力-應變曲線曲線在ANSYS程序分析中，需要給出混凝土單軸受壓下的應力應變曲線。在本算例中，混凝土單軸受壓下的應力應變采用Sargin和Saenz模型17,18： 5-30式中??；ii、鋼材：a、本構關系應力應變曲線在本算例中，所有鋼材，包括梁中縱向主筋、橫向箍筋和鋼支座墊板均采用理想彈塑性模型916，其應力-應變曲線見圖5-10。表5-5 鋼材材性輸入參數一覽表縱向鋼筋橫向箍筋鋼支座墊板受拉受壓泊松比360210210360說 明圖5-10 鋼材的應力-應變關系b、屈服準那么和強化準那么鋼材的屈服準那么選用雙線性

3、隨動強化材料BKIN8。在ANSYS程序中，本算例中鋼材的需要輸入的參數為泊松比、彈性模量和屈服強度，鋼材的輸入參數見表5-6。 建立模型a、單元劃分本算例中的鋼筋混凝土簡支梁形狀很規(guī)那么，因此在ANSYS程序中采用了映射劃分，所有實體單元都是正六面體單元。在加載點和支座處均加設40mm厚的鋼墊板，以防止出現局壓破壞。另外，在加載點和支座處的網格進行了細分，以考慮應力集中。模型的單元網格圖見圖5-13。b、約束條件圖5-11 模型的約束條件根據對稱性，可取圖5-9中的1/2模型進行有限元分析。相應的在ANSYS程序模型中的約束條件見圖5-11。c、加載方式在本算例中，采用位移加載，即在加載點墊

4、板中心施加一豎向位移，。在本算例中，沒有考慮鋼筋混凝土之間的粘結滑移性能，將鋼筋與混凝土視為完全固結。FEM模型圖和鋼筋網格圖1,3,5,6見圖5-12和圖5-13所示。斷面圖配筋圖斷面圖配筋圖斷面圖配筋圖RCBEAM-01RCBEAM-02RCBEAM-03圖5-12 各梁FEM模型斷面圖a單元網格圖b鋼筋單元劃分圖圖5-13 算例一的FEM模型圖2.4 模型求解在ANSYS程序中，對于非線性分析，求解步的設置很關鍵，對計算是否收斂關系很大，對于混凝土非線性有限元分析，在計算時間容許的情況下，較多的求解子步Substeps或較小的荷載步和一個非常大的最大子步數更容易導致收斂2。在本算例中，設

5、置了100個子步。最終本算例收斂成功，在CPU為P41.6G、內存為256MB的微機上計算，耗時約為8小時。 2.5 計算結果及分析2.5.1 荷載位移曲線圖5-14為ANSYS程序所得到的各梁的荷載-跨中撓度曲線，從圖中可以看出：i、梁RCBEAM-01：曲線形狀能根本反映鋼筋混凝土適筋梁剪切破壞的受力特點，而且荷載-跨中撓度曲線與鋼筋混凝土梁的彎剪破壞形態(tài)非常類似，即當跨中彎矩最大截面的縱筋屈服后，由于裂縫的開展，壓區(qū)混凝土的面積逐漸減小，在荷載幾乎不增加的情況下，壓區(qū)混凝土所受的正應力和剪應力還在不斷增加，當應力到達混凝土強度極限時，剪切破壞發(fā)生，荷載突然降低。(a) 荷載P-跨中撓度曲

6、線(a) 彎矩M-跨中撓度曲線圖5-14a 荷載跨中撓度曲線RCBEAM-01ii、梁RCBEAM-02：荷載-跨中撓度曲線與超筋梁的試驗荷載-跨中撓度曲線很相似，在荷載到達極限情況下，沒有出現屈服平臺，而是突然跌落。極限彎矩值相對梁RCBEAM-01增加約30%，與受拉區(qū)配筋率的增加量100%相比要低，說明受拉區(qū)所增加的鋼筋沒有完全發(fā)揮作用，與超筋梁類似。(a) 荷載P-跨中撓度曲線(a) 彎矩M-跨中撓度曲線圖5-14b 荷載跨中撓度曲線RCBEAM-02iii、梁RCBEAM-03：荷載-跨中撓度曲線形狀介于適筋梁與超筋梁的試驗曲線之間，隨著撓度的增加，荷載幾乎成線性地增長，在荷載到達極

7、限情況下，曲線出現一個較短的屈服平臺，隨后出現突然跌落情況。由于受拉區(qū)配筋量的加倍，極限彎矩值增加較大，相當于梁RCBEAM-01的兩倍，說明受拉區(qū)所增加鋼筋發(fā)揮了完全作用。(a) 荷載P-跨中撓度曲線(a) 彎矩M-跨中撓度曲線圖5-14c 荷載跨中撓度曲線RCBEAM-03表5-6 計算結果與理論值比擬計算工程RCBEAM-01RCBEAM-02RCBEAM-03理論計算結果ANSYS計算結果理論計算結果ANSYS計算結果理論計算結果ANSYS計算結果極限彎矩65.669.310kN*破壞類型受拉區(qū)單側配筋適筋梁破壞形態(tài)受拉區(qū)單側配筋超筋梁破壞形態(tài)拉壓區(qū)雙側配筋適筋梁破壞形態(tài)說 明表中帶“

8、*抗剪承載力沒有考慮縱向鋼筋的梢栓作用表5-6為理論計算結果與ANSYS程序計算結果的比照，從表5-6中可以看出，1、ANSYS程序計算的跨中最大彎矩值與理論計算值比擬接近，RCBEAM-01和RCBEAM-02最大剪力比梁的斜截面抗剪能力低，即縱筋屈服決定梁的承載能力，壓區(qū)混凝土的剪斷決定梁的最大變形能力，梁的強度仍然由跨中垂直截面彎曲強度決定；而RCBEAM-03的最大剪力比梁的斜截面抗剪能力要大，所以，梁的極限承載能力由梁的斜截面抗剪能力決定，但從表中也可以看出，極限狀態(tài)下的最大彎矩計算值與理論計算值比擬接近，說明梁ANSYS程序計算的抗剪能力值為 kN，比理論計算的 kN值高，這可能是因為縱筋的梢栓作用比擬突出。從表5-6還可以看出，在縱筋屈服時刻，ANSYS程序計算的梁跨中最大撓度值比理論計算值略小，原因可能是由于沒有考慮鋼筋-混凝土之間的粘結滑移，而使整個梁的整體剛度有所增加。2.5.2 混凝土應力-應變本構關系比擬