基于ANSYS程序的鋼筋混凝土梁非線性數(shù)值模擬_圖文

1、文章編號(hào):1672-4348(200506-0628-05基于ANSY S 程序的鋼筋混凝土梁非線性數(shù)值模擬楊勇,郭子雄(華僑大學(xué)土木工程學(xué)院,福建泉州362021摘要:采用商用程序ANSY S 對(duì)不同配筋率的鋼筋混凝土梁進(jìn)行非線性數(shù)值分析,以考察不同配筋率對(duì)鋼筋混凝土梁受彎性能的影響。結(jié)合數(shù)值模擬分析過程,詳細(xì)介紹了基于ANSY S 程序的鋼筋混凝土構(gòu)件非線性數(shù)值分析的關(guān)鍵技術(shù),分析了對(duì)不同配筋率的鋼筋混凝土梁的剛度變化、破壞特征、截面應(yīng)力分布、裂縫發(fā)展和鋼筋、混凝土應(yīng)力及應(yīng)變發(fā)展過程。關(guān)鍵詞:鋼筋混凝土梁;數(shù)值模擬技術(shù);ANSY S 程序;有限元分析中圖分類號(hào):T U375.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:

2、ANumerical simulation of reinforced concretebeams based on ANSYS programY ANG Y ong ,G UO Z i -xiong(Civil Engineering School ,Huaqiao University ,Quanzhou 362021,China Abstract :Nonlinear finite element analysis of rein forced concrete (RC beams with different rein force 2ment ratios using the ANSY

3、 S com puter program was conducted to study the effect of rein forcement ratio on flexure behaviors of RC beams.A series of key techniques on numerical simulation of RC beams were presented.The numerical simulation results of RC beam specimens were in agreement with the experi 2mental and theoretica

4、l results.The development of RC beam stiffness ,the failure m odes ,the stress dis 2tribution of sections ,the crack propagation and stress development of rein forcement bars and concrete in the RC beams were analyzed.It is found that the numerical simulation technology presented is feasible.K eyw o

5、rds :rein forced concrete structure ;numerical simulation technology ;ANSY S com puter program ;finite element analysis0前言鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的三維非線性有限元數(shù)值模擬仍然是一個(gè)亟待解決的難題,往往需要復(fù)雜的編程和計(jì)算分析。商業(yè)通用程序ANSY S 是一個(gè)功能非常強(qiáng)大的有限元分析程序,在鋼筋混凝土非線性有限元分析計(jì)算方面具有很好的效果,并且借助于高級(jí)的可視化技術(shù),使整個(gè)分析過程具有較好的開放性和可視性。本文通過3根鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁的計(jì)算分析,對(duì)基于ANSY S 程序的鋼筋混凝土結(jié)

6、構(gòu)數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行介紹。1鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁模型鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁的ANSY S 程序數(shù)值模擬的應(yīng)用實(shí)例,梁的尺寸、配筋及荷載如圖1所示1。鋼筋采用HRB335級(jí)鋼筋,混凝土軸心抗壓強(qiáng)度f(wàn) cu =30MPa 。收稿日期:2005-07-20基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50478120;福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(E054006第一作者簡(jiǎn)介:楊勇(1976-,男(漢,江西吉安人,工學(xué)博士,講師,研究方向:鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)抗震.第3卷第6期福建工程學(xué)院學(xué)報(bào)V ol.3N o.62005年12月Journal of Fujian University of T echnologyDec

7、.2005 圖1梁尺寸、配筋及荷載示意圖Fig.1Schem atic of RC beam size ,reinforcementand loading1.1單元類型1混凝土單元:采用ANSY S 程序單元庫(kù)中S O LI D65單元。2縱向鋼筋:PIPE203橫向箍筋:PIPE201.2材料性質(zhì)1混凝土材料單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線,在ANSY S 程序分析中,需給出混凝土單軸受壓下的應(yīng)力應(yīng)變曲線。在本算例中,混凝土單軸受壓下應(yīng)力應(yīng)變采用Sargin 和Saenz 模型24。其余輸入?yún)?shù)見表1。2鋼材: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1。鋼材的屈服準(zhǔn)則選用雙

8、線性隨動(dòng)強(qiáng)化材料BKI N 1。在ANSY S 程序中,鋼材需要輸入的參數(shù)為泊松比、彈性模量E s 和屈服強(qiáng)度f(wàn) y 。表1混凝土材料的輸入?yún)?shù)一覽表T ab.1P arameter of concrete m aterials混凝土立方體抗壓強(qiáng)度f(wàn) cu (N mm -2彈性模量E c (N mm -2泊松比 單軸抗壓強(qiáng)度f(wàn) c (N mm -2單軸抗拉強(qiáng)度f(wàn) r (N mm -2裂縫間剪力傳遞系數(shù)t 張開閉合30240000.2025.03.11250.350.751.3建立模型FE M 模型如圖2和圖3所示。圖2FEM 模型斷面圖Fig.2FEM model 圖3FEM 模型圖Fig.3

9、FEM model2計(jì)算結(jié)果及分析2.1荷載-位移曲線圖4、圖5為ANSY S 程序所得到的各梁的彎矩-跨中撓度曲線,從圖4、圖5可以看出:1梁RC BE AM -01:曲線形狀能基本反映鋼筋混凝土適筋梁彎剪破壞的受力特點(diǎn),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(dāng)跨中彎矩最大截面縱筋屈服后,由于裂縫開展,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(yīng)力和剪應(yīng)力還在不斷增加,當(dāng)應(yīng)力達(dá)到混凝土極限壓應(yīng)變時(shí),破壞發(fā)生,荷載突然降低。2梁RC BE AM -02:彎矩-跨中撓度曲線與超筋梁的試驗(yàn)荷載-跨中撓度曲線很相似,在荷載達(dá)到極限情況下,沒有出現(xiàn)屈

10、服平臺(tái),而是突然跌落。極限彎矩值相對(duì)梁RC BE AM -01增加約30%,而鋼筋面積比RC BE AM -01增加了100%,表明受拉區(qū)所增加的鋼筋沒有完全發(fā)揮作用,與超筋梁類似。926第6期楊勇,等基于ANSY S 程序的鋼筋混凝土梁非線性數(shù)值模擬3梁RC BE AM-03:彎矩-跨中撓度曲線形狀介于適筋梁與超筋梁的試驗(yàn)曲線之間,隨著撓度的增加,荷載幾乎成線性地增長(zhǎng),在荷載達(dá)到極限情況下,曲線出現(xiàn)一個(gè)較短的屈服平臺(tái),隨后出現(xiàn)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(dāng)于梁RC BE AM- 01兩倍,表明受拉區(qū)所增加鋼筋發(fā)揮了完全作用。圖4彎矩-跨中撓度曲線Fig.4Cu

11、rve of bending moment2midsp an deflection圖5彎矩-跨中撓度曲線Fig.5Curve of bending moment2midsp an deflection表2為理論計(jì)算結(jié)果5與ANSY S程序計(jì)算結(jié)果的對(duì)比,從表2可以看出:ANSY S程序計(jì)算的跨中最大彎矩值與理論計(jì)算值比較接近, RC BE AM-01和RC BE AM-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)混凝土的壓碎決定梁的最大變形能力,梁的強(qiáng)度仍然由跨中垂直截面彎曲承載能力決定。RC BE AM-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

12、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(jì)算值與理論計(jì)算值比較接近,而梁AN2 SY S程序計(jì)算的抗剪能力值為203.433kN,比理論計(jì)算的148.9kN值高,這可能是在ANSY S中考慮了理論計(jì)算中設(shè)有考慮的縱筋的梢栓作用。表2計(jì)算結(jié)果與理論值比較T ab.2Comp arison of calculation results with theoretical values計(jì)算項(xiàng)目RC BE AM-01理論計(jì)算結(jié)果ANSY S計(jì)算結(jié)果RC BE AM-02理論計(jì)算結(jié)果ANSY S計(jì)算結(jié)果RC BE AM-03理論計(jì)算結(jié)果ANSY S計(jì)算結(jié)果極限彎矩M破壞類型受拉區(qū)單

13、側(cè)配筋適筋梁破壞形態(tài)受拉區(qū)單側(cè)配筋超筋梁破壞形態(tài)拉壓區(qū)雙側(cè)配筋適筋梁破壞形態(tài)注:表中帶“33”抗剪承載力Vu沒有考慮縱向鋼筋的梢栓作用2.2鋼筋應(yīng)力發(fā)展曲線圖6為梁RC BE AM-01中受拉區(qū)、受壓區(qū)縱向鋼筋的應(yīng)力發(fā)展過程曲線,從圖6可以看出,梁中受拉區(qū)和受壓區(qū)主筋基本上是同時(shí)達(dá)到屈服強(qiáng)036福建工程學(xué)院學(xué)報(bào)第3卷度(分別為360N mm 2和210N mm 2,然后均保持屈服強(qiáng)度的應(yīng)力水平,直到最終破壞,彎剪段橫向箍筋未曾達(dá)到屈服強(qiáng)度210N mm 2 。圖6鋼筋應(yīng)力發(fā)展曲線Fig.6Stress development curve of reinforced b ars圖7為梁RC BE

14、 AM -02中受拉區(qū)、受壓區(qū)縱向鋼筋的應(yīng)力發(fā)展過程曲線,從圖7可以看出,梁中受壓區(qū)主筋首先達(dá)到屈服強(qiáng)度(210N mm 2,并保持屈服強(qiáng)度直到極限荷載,梁中受拉區(qū)兩排鋼筋始終沒有達(dá)到屈服強(qiáng)度(360N mm 2,屬于超筋梁的破壞形態(tài);底排鋼筋(受拉鋼筋-1和上排鋼筋(受拉鋼筋-2的應(yīng)力分別為300N mm 2和210N mm 2; 彎剪段中部橫向箍筋未曾屈服強(qiáng)度。圖7鋼筋應(yīng)力發(fā)展曲線Fig.7Stress development curve of reinforced b ars圖8為梁RC BE AM -03中受拉區(qū)、受壓區(qū)縱向鋼筋的應(yīng)力發(fā)展過程曲線,從圖8可以看出,梁中受拉區(qū)底排鋼筋(受

15、拉鋼筋-1首先達(dá)到屈服強(qiáng)度(360N mm 2,然后上排鋼筋(受拉鋼筋-2屈服;受壓區(qū)兩排主筋均未達(dá)到屈服強(qiáng)度,底排鋼筋(受壓鋼筋-1和上排鋼筋(受壓鋼筋-2的應(yīng)力分別為300N mm 2和210N mm 2;彎剪段中段橫向箍筋達(dá)到屈服強(qiáng)度210N mm 2 。圖8鋼筋應(yīng)力發(fā)展曲線Fig.8Stress development curve of reinforced b ars2.3梁彎剪段剪應(yīng)力、正應(yīng)力的分布規(guī)律圖9為梁RC BE AM -01彎剪段在極限狀態(tài)時(shí)各截面的正應(yīng)力、剪應(yīng)力分布規(guī)律,從圖9(a 中可以看出,各截面剪應(yīng)力的最大值的連線(圖中虛線大致反映了斜裂縫的形態(tài),圖9(b 從支座

16、到加載點(diǎn),各截面的縱向正應(yīng)力逐漸增加,至加載點(diǎn)最大,這與梁中彎剪段的剪應(yīng)力和正應(yīng)力分布吻合2 。圖9梁彎剪段不同橫截面上的應(yīng)力分布規(guī)律圖Fig.9Stress distribution of different sectionsof RCBEAM136第6期楊勇,等基于ANSY S 程序的鋼筋混凝土梁非線性數(shù)值模擬2.4裂縫形態(tài)及發(fā)展過程圖10為梁RC BE AM -01的裂縫形態(tài)及發(fā)展過程,從圖10可以看出,首先在梁的跨中純彎段出現(xiàn)受拉裂縫,且自下向上延伸,荷載繼續(xù)增加,剪跨段內(nèi)相繼出現(xiàn)受彎裂縫,該裂縫在底部是垂直于縱向鋼筋,向上延伸時(shí)開始傾斜, 形成彎剪裂縫。在距支座一定距離內(nèi)出現(xiàn)約45&

17、#176;的斜裂縫,形成腹剪裂縫。荷載繼續(xù)增加,純彎段和彎剪段的裂縫均繼續(xù)發(fā)展,但純彎段裂縫發(fā)展到一定高度后,向上延伸停止,而彎剪段的斜裂縫發(fā)展完全,最終,因受壓區(qū)的混凝土被壓碎而發(fā)生破壞。由于在此模型中未曾考慮鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)滑移,因此未曾發(fā)現(xiàn)粘結(jié)裂縫。圖10裂縫形態(tài)及發(fā)展過程Fig.10Crack morphology and its development3結(jié)語(yǔ)本文以3根鋼筋混凝土梁作為算例進(jìn)行了ANSY S 程序計(jì)算分析,結(jié)合此算例,對(duì)ANSY S 程序中鋼筋混凝土有限元分析的從前處理到后處理的全過程進(jìn)行了介紹、調(diào)試和驗(yàn)證,結(jié)果表明:ANSY S 程序能夠較方便地用于對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析,而且建模方便,計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較吻合,可以對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較深入的研究。參考文獻(xiàn):1楊勇.型鋼混凝土粘結(jié)