鋼筋混凝土梁非線性分析作業(yè)

鋼筋混凝土梁非線性分析主要內(nèi)容第一部分：荷載及梁的尺寸第二部分：建模第三部分：加載、求解第四部分：計(jì)算結(jié)果及分析第一部分：荷載及梁的尺寸材料性能：混凝土彈性模量E=25500MPa,泊松比ν=0.3,軸抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1.55MPa,單軸抗壓強(qiáng)度定義為-1，則程序不考慮混凝土的壓碎行為，關(guān)閉壓碎開(kāi)關(guān)。裂縫張開(kāi)傳遞系數(shù)0.4,裂縫閉合傳遞系數(shù)1。鋼筋為雙線形隨動(dòng)硬化材料，受拉鋼筋彈性模量E=200000MPa,泊松比ν=0.3,屈服應(yīng)力=350MPa，受壓鋼筋以及箍筋E=200000MPa，,泊松比ν=0.3，屈服應(yīng)力=200MPa。第二部分：建模由于對(duì)稱約束，只需要建立1/2模型即可，在對(duì)稱面上可以采用對(duì)稱約束。建立好的模型見(jiàn)下圖：(1)進(jìn)入ANSYS，設(shè)置工程名稱為RC-BEAM(2)定義分析類型為結(jié)構(gòu)分析(3)定義單元類型在單元庫(kù)中選65號(hào)實(shí)體單元為二號(hào)單元，建立混凝土模型；選LINK8單元為一號(hào)單元，模擬鋼筋模型；定義輔助網(wǎng)格單元MESH200及其形狀選擇。1)鋼筋混凝土有限元模型的合理選用①整體式整體式有限元模型是將鋼筋彌散于整個(gè)單元中，將加筋混凝土視為連續(xù)均勻材料，求出的是一個(gè)統(tǒng)一的剛度矩陣。該方法優(yōu)點(diǎn)是建模方便，分析效率高;缺點(diǎn)是不適用于鋼筋分布較不均勻的區(qū)域，且不易得到鋼筋內(nèi)力。主要用于鋼筋混凝土板、剪力墻等有大量鋼筋且鋼筋分布較均勻的構(gòu)件。②組合式組合式有限元模型是將縱筋密集的區(qū)域設(shè)置為不同的體，使用帶筋的SOLID65單元，而無(wú)縱筋區(qū)則設(shè)置為無(wú)筋SOLID65單元。這樣就可以將鋼筋區(qū)域縮小，接近真實(shí)的工程情況。這種模型假定鋼筋和混凝土兩者之間的相互粘接良好，沒(méi)有相對(duì)滑移。在單元分析時(shí)，可分別求得混凝土和鋼筋對(duì)剛度矩陣的貢獻(xiàn)，組成一個(gè)復(fù)合的、單元?jiǎng)偠染仃嚒＂鄯蛛x式分離式有限元模型采用SOLID65來(lái)模擬混凝土，空間LINK8桿單元來(lái)模擬縱筋，這樣的建模能夠模擬混凝土的開(kāi)裂、壓壞現(xiàn)象及求得鋼筋的應(yīng)力，還可以對(duì)桿施加預(yù)應(yīng)力來(lái)模擬預(yù)應(yīng)力混凝土。鋼筋單元與混凝土單元共用節(jié)點(diǎn),以實(shí)現(xiàn)整體工作過(guò)程中自由度的耦合。缺點(diǎn)是建模比較復(fù)雜，單元較多，且容易出現(xiàn)應(yīng)力集中拉壞混凝土的問(wèn)題。2)單元選取及其本構(gòu)關(guān)系對(duì)于混凝土材料模型，ANSYS可通過(guò)專門的單元類型SOLID65(三維鋼筋混凝土實(shí)體單元)和專門的材料模型CONCRETE來(lái)實(shí)現(xiàn);而混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋的主要作用是承受軸向的拉力或壓力,因此，鋼筋單元可選用LINK8桿單元，材料采用隨動(dòng)硬化雙線性彈塑性(Kinematichardeningplasticity)模型。這樣，由實(shí)體單元SOLID65和桿單元LINK8共同構(gòu)成的鋼筋混凝土模型能很好地反映鋼筋混凝土的特性，模擬出其壓碎及開(kāi)裂的破壞過(guò)程。2)．1混凝土單元SOLID65單元具有八個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)自由度，即具有X、Y、Z三個(gè)方向的線位移;采用整體式模型時(shí)還可對(duì)三個(gè)方向的含筋情況進(jìn)行定義。該實(shí)體模型可具有拉裂與壓碎的性能。CONCRETE材料特性用的是William-Wamke五參數(shù)破壞準(zhǔn)則和拉應(yīng)力準(zhǔn)則的組合模式，可以自由定義混凝土開(kāi)裂后裂縫張開(kāi)和閉合時(shí)的剪力傳遞系數(shù)、混凝土的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系以及混凝土的單向和多向拉壓強(qiáng)度等?；炷敛捎肳illiam-Wamke五參數(shù)破壞準(zhǔn)則，程序?qū)⒏鶕?jù)SOLID單元8個(gè)積分點(diǎn)上的多軸應(yīng)力狀態(tài)和破壞準(zhǔn)則判斷材料發(fā)生何種破壞，如果使用ANSYS中的塑性模型考慮混凝土材料的塑性行為，塑性只能發(fā)生在W-W五參數(shù)準(zhǔn)則所定義的破壞面以內(nèi)。一旦材料超出了破壞面，將進(jìn)入破壞狀態(tài)。前兩個(gè)參數(shù)的取值范圍是0-1,1表示建立完全傳遞，0表示完全沒(méi)有剪切傳遞作用，本題混凝土張開(kāi)裂縫的剪力傳遞系數(shù)取0.4,閉合裂縫的剪力傳遞系數(shù)取1。單軸抗拉強(qiáng)度取1.55，單軸抗壓強(qiáng)度取-1。2)．2鋼筋單元ANSYS中鋼筋一般選用LINK8單元和隨動(dòng)硬化雙線性彈塑性模型。該單元既能承受拉力，同時(shí)又能承受壓力。隨動(dòng)硬化雙線性彈塑性模型適用于遵從von-Mises（米塞斯屈服準(zhǔn)則的物理意：在一定的變形條件下，當(dāng)材料的單位體積形狀改變的彈性位能（又稱彈性形變能）達(dá)到某一常數(shù)時(shí)，材料就屈服。）屈服準(zhǔn)則的材料，應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3所示，曲線OA1段的斜率代表材料的彈性模量，曲線A1B1段的斜率代表材料的切線模量，A1為材料的屈服強(qiáng)度，B1為材料的極限強(qiáng)度，切線模量不能小于零，同時(shí)也不能大于彈性模量。2）．3鋼筋與混凝土之間的聯(lián)結(jié)單元在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)采用分離式建模時(shí)，鋼筋與混凝土之間的作用方式一般有兩種:第一種是不考慮鋼筋與混凝土之間的滑移，即假設(shè)鋼筋和混凝土之間位移完全協(xié)調(diào)。處理辦法就是鋼筋混凝土模型在劃分單元時(shí)讓混凝土單元和鋼筋單元(包括縱向受力筋和箍筋)共享節(jié)點(diǎn)。第二種是在鋼筋單元和混凝土單元在同一坐標(biāo)位置的節(jié)點(diǎn)之間增設(shè)虛擬的單元，模擬他們二者之間的粘結(jié)滑移，這樣可以進(jìn)一步提高分析的精度。目前這種粘結(jié)單元常用非線性彈簧單元COMBIN39進(jìn)行模，該單元可以很方便地設(shè)定界面上的剪力一滑移關(guān)系，但該COMBIN39單元只能模擬一個(gè)方向(比如X方向)的粘結(jié)，另外兩個(gè)方向(Y，Z)只能使節(jié)點(diǎn)位移耦合，表示粘結(jié)剛度無(wú)限大，以致鋼筋單元和混凝土單元的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)在Y、Z兩方向上沒(méi)有相對(duì)位移。分析結(jié)果的準(zhǔn)確程度主要取決于彈簧剛度的取值。(4)定義實(shí)常數(shù)這一步根據(jù)鋼筋的直徑等材料的信息定義。(5)定義材料屬性這一步添加三個(gè)材料模型，分別是混凝土材料模型，受拉鋼筋模型，受壓鋼筋和箍筋模型。輸入彈性模量，泊松比和屈服強(qiáng)度等值后完成材料屬性定義。（6）創(chuàng)建半個(gè)模型所有節(jié)點(diǎn)部分節(jié)點(diǎn)圖片創(chuàng)建橫截面上節(jié)點(diǎn)半個(gè)模型節(jié)點(diǎn)（7）創(chuàng)建受壓鋼筋和箍筋以及縱向受拉鋼筋單元這一步采用APDL命令完成，APDL是ANSYSParametricDesignLanguage的縮寫，即ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言，它是一種類似FORTRAN的解釋性語(yǔ)言，提供一般程序語(yǔ)言的功能。箍筋模型箍筋模型鋼筋骨架模型（8）創(chuàng)建混凝土有限元模型第一步，建立混凝土剖面并劃分網(wǎng)格；第二步，拉伸形成混凝土體單元。混凝土有限元模型第三部分：加載、求解（1）邊界條件將Z=0的面設(shè)置成為對(duì)稱面約束，將Y=0，Z=-1710的邊界底部的節(jié)點(diǎn)沿X和Y方向的自由約束。對(duì)Y=300,Z=-540節(jié)點(diǎn)施加-10mm的Y方向位移荷載。（2）選