基于ANSYS程序的钢筋混凝土梁非线性数值模拟

文章编号:1672-4348 (2005)06-0628-05 基于ANSYS程序的钢筋混凝土梁非线性数值模拟 杨勇,郭子雄 (华侨大学土木工程学院,福建 泉州 362021) 摘要:采用商用程序ANSYS对不同配筋率的钢筋混凝土梁进行非线性数值分析,以考察不同配筋率 对钢筋混凝土梁受弯性能的影响。结合数值模拟分析过程,详细介绍了基于ANSYS程序的钢筋混凝 土构件非线性数值分析的关键技术,分析了对不同配筋率的钢筋混凝土梁的刚度变化、 破坏特征、 截 面应力分布、 裂缝发展和钢筋、 混凝土应力及应变发展过程。 关键词:钢筋混凝土梁;数值模拟技术;ANSYS程序;有限元分析 中图分类号: TU375.1文献标识码: A Numericalsimulationofreinforcedconcrete beamsbasedonANSYSprogram YANGYong,GUOZi-xiong (CivilEngineeringSchool,HuaqiaoUniversity,Quanzhou362021,China) Abstract: Nonlinearfiniteelementanalysisofreinforcedconcrete(RC) beamswithdifferentreinforce2 mentratiosusingtheANSYScomputerprogramwasconductedtostudytheeffectofreinforcementratioon flexurebehaviorsofRCbeams.AseriesofkeytechniquesonnumericalsimulationofRCbeamswere presented. ThenumericalsimulationresultsofRCbeamspecimenswereinagreementwiththeexperi2 mentalandtheoreticalresults.ThedevelopmentofRCbeamstiffness,thefailuremodes,thestressdis2 tributionofsections,thecrackpropagationandstressdevelopmentofreinforcementbarsandconcretein theRCbeamswereanalyzed.Itisfoundthatthenumericalsimulationtechnologypresentedisfeasible. Keywords: reinforcedconcretestructure;numericalsimulationtechnology;ANSYScomputerprogram; finiteelementanalysis 0 前言 钢筋混凝土结构的三维非线性有限元数值模 拟仍然是一个亟待解决的难题,往往需要复杂的 编程和计算分析。商业通用程序ANSYS是一个 功能非常强大的有限元分析程序,在钢筋混凝土 非线性有限元分析计算方面具有很好的效果,并 且借助于高级的可视化技术,使整个分析过程具 有较好的开放性和可视性。本文通过3根钢筋混 凝土简支梁的计算分析,对基于ANSYS程序的钢 筋混凝土结构数值模拟技术进行介绍。 1 钢筋混凝土简支梁模型 钢筋混凝土简支梁的ANSYS程序数值模拟 的应用实例,梁的尺寸、 配筋及荷载如图1所 示 1 。钢筋采用HRB335级钢筋,混凝土轴心抗 压强度fcu=30MPa。 收稿日期:2005-07-20 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50478120) ;福建省自然科学基金资助项目(E054006 ) 第一作者简介:杨勇(1976- ) ,男(汉 ) , 江西吉安人,工学博士,讲师,研究方向:钢-混凝土组合结构、 结构抗震. 图1 梁尺寸、 配筋及荷载示意图 Fig.1 SchematicofRCbeamsize,reinforcement andloading 1.1 单元类型 1) 混凝土单元:采用ANSYS程序单元库中 SOLID65单元。 2) 纵向钢筋:PIPE20 3) 横向箍筋:PIPE20 1.2 材料性质 1) 混凝土材料单轴受压应力-应变曲线,在 ANSYS程序分析中,需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 应力应变采用Sargin和Saenz模型 24 。其余输 入参数见表1。 2) 钢材:所有钢材,包括梁中纵向主筋、 横向 箍筋和钢支座垫板均采用理想弹塑性模型 1 。钢 材的屈服准则选用双线性随动强化材料BKIN 1 。 在ANSYS程序中,钢材需要输入的参数为泊松比 、 弹性模量Es和屈服强度fy。 表1 混凝土材料的输入参数一览表 Tab.1 Parameterofconcretematerials 混凝土立方体抗压 强度fcu (N mm-2) 弹性模量 Ec (N mm-2) 泊松比 单轴抗压强度 f c (N mm-2) 单轴抗拉强度 fr (N mm-2) 裂缝间剪力 传递系数t 张开闭合 3024 0000.2025.03.11250.350.75 1.3 建立模型 FEM模型如图2和图3所示。 图2 FEM模型断面图 Fig.2 FEMmodel 图3 FEM模型图 Fig.3 FEMmodel 2 计算结果及分析 2.1 荷载-位移曲线 图4、 图5为ANSYS程序所得到的各梁的弯 矩-跨中挠度曲线,从图4、 图5可以看出: 1) 梁RCBEAM-01:曲线形状能基本反映钢 筋混凝土适筋梁弯剪破坏的受力特点,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纵筋屈服后, 由于裂缝开展,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,当应力达到混凝土极 限压应变时,破坏发生,荷载突然降低。 2) 梁RCBEAM-02:弯矩-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%,而钢筋面积比RCBEAM-01增加了100%, 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。 926 第6期杨勇,等 基于ANSYS程序的钢筋混凝土梁非线性数值模拟 3) 梁RCBEAM-03:弯矩-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-01两 倍,表明受拉区所增加钢筋发挥了完全作用。 图4 弯矩-跨中挠度曲线 Fig.4 Curveofbendingmoment2midspandeflection 图5 弯矩-跨中挠度曲线 Fig.5 Curveofbendingmoment2midspandeflection 表2为理论计算结果 5 与ANSYS程序计算 结果的对比,从表2可以看出:ANSYS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, 压区混凝土的压碎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承载能力决定。 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,而梁AN2 SYS程序计算的抗剪能力值为203.433kN,比理 论计算的148.9kN值高,这可能是在ANSYS中考 虑了理论计算中设有考虑的纵筋的梢栓作用。 表2 计算结果与理论值比较 Tab.2 Comparisonofcalculationresultswiththeoreticalvalues 计算项目 RCBEAM-01 理论计 算结果 ANSYS 计算结果 RCBEAM-02 理论计 算结果 ANSYS 计算结果 RCBEAM-03 理论计 算结果 ANSYS 计算结果 极限弯矩Mu (kN mm) 65.6667.7865.66123.12084.79123.120122.06 maxmm 9.3108.1829.31015.6359.79115.63514.796 VukN 148.9 3 3 112.83148.9 3 3 141.317148.9 3 3 203.433 破坏类型 受拉区单侧配筋 适筋梁破坏形态 受拉区单侧配筋 超筋梁破坏形态 拉压区双侧配筋 适筋梁破坏形态 注:表中带 “3 3 ” 抗剪承载力Vu没有考虑纵向钢筋的梢栓作用 2.2 钢筋应力发展曲线 图6为梁RCBEAM-01中受拉区、 受压区纵 向钢筋的应力发展过程曲线,从图6可以看出,梁 中受拉区和受压区主筋基本上是同时达到屈服强 036 福建工程学院学报第3卷 度(分别为360Nmm 2 和210Nmm 2 ) , 然后均保持 屈服强度的应力水平,直到最终破坏,弯剪段横向 箍筋未曾达到屈服强度210Nmm 2 。 图6 钢筋应力发展曲线 Fig.6 Stressdevelopmentcurveofreinforcedbars 图7为梁RCBEAM-02中受拉区、 受压区纵向 钢筋的应力发展过程曲线,从图7可以看出,梁中 受压区主筋首先达到屈服强度(210Nmm 2 ) , 并保 持屈服强度直到极限荷载,梁中受拉区两排钢筋始 终没有达到屈服强度(360Nmm 2 ) , 属于超筋梁的 破坏形态;底排钢筋(受拉钢筋 -1 ) 和上排钢筋(受 拉钢筋 -2 ) 的应力分别为300Nmm 2 和210Nmm 2 ; 弯剪段中部横向箍筋未曾屈服强度。 图7 钢筋应力发展曲线 Fig.7 Stressdevelopmentcurveofreinforcedbars 图8为梁RCBEAM-03中受拉区、 受压区纵 向钢筋的应力发展过程曲线,从图8可以看出,梁 中受拉区底排钢筋(受拉钢筋 -1 ) 首先达到屈服 强度(360Nmm 2 ) , 然后上排钢筋(受拉钢筋 -2 ) 屈服;受压区两排主筋均未达到屈服强度,底排钢 筋(受压钢筋 -1 ) 和上排钢筋(受压钢筋 -2 ) 的应 力分别为300Nmm 2 和210Nmm 2 ;弯剪段中段横 向箍筋达到屈服强度210Nmm 2 。 图8 钢筋应力发展曲线 Fig.8 Stressdevelopmentcurveofreinforcedbars 2.3 梁弯剪段剪应力、 正应力的分布规律 图9为梁RCBEAM-01弯剪段在极限状态时 各截面的正应力、 剪应力分布规律,从图 9 (a) 中 可以看出,各截面剪应力的最大值的连线(图中虚 线)大致反映了斜裂缝的形态,图 9 (b) 从支座到 加载点,各截面的纵向正应力逐渐增加,至加载点 最大,这与梁中弯剪段的剪应力和正应力分布吻 合 2 。 图9 梁弯剪段不同横截面上的应力分布规律图 Fig.9 Stressdistributionofdifferentsections ofRCBEAM 136 第6期杨勇,等 基于ANSYS程序的钢筋混凝土梁非线性数值模拟 2.4 裂缝形态及发展过程 图10为梁RCBEAM-01的裂缝形态及发展 过程,从图10可以看出,首先在梁的跨中纯弯段 出现受拉裂缝,且自下向上延伸,荷载继续增加, 剪跨段内相继出现受弯裂缝,该裂缝在底部是垂 直于纵向钢筋,向上延伸时开始倾斜,形成弯剪裂 缝。在距支座一定距离内出现约45 的斜裂缝,形 成腹剪裂缝。荷载继续增加,纯弯段和弯剪段的 裂缝均继续发展,但纯弯段裂缝发展到一定高度 后,向上延伸停止,而弯剪段的斜裂缝发展完全, 最终,因受压区的混凝土被压碎而发生破坏。由 于在此模型中未曾考虑钢筋与混凝土之间的粘结 滑移,因此未曾发现粘结裂缝。 图10 裂缝形态及发展过程 Fig.10 Crackmorphologyanditsdevelopment 3 结语 本文以3根钢筋混凝土梁作为算例进行了 ANSYS程序计算分析,结合此算例,对ANSYS程 序中钢筋混凝土有限元分析的从前处理到后处理 的全过程进行了介绍、 调试和验证,结果表明: ANSYS程序能够较方便地用于对混凝土结构进 行有限元分析,而且建模方便,计算结果与试验结 果比较吻合,可以对钢筋混凝土结构进行比较深 入的研究。 参考文