ANSYS中简支梁的模拟计算

1、通过大型有限元软件ANSYS对简支梁进行模拟计算下面以钢筋混凝土简支梁的ANSY§程序数值模拟的应用实例，对ANSYS1程序的应用方法及模拟效果进行验证，梁的尺寸、配筋及荷载如图5-9所示。钢筋采用H级钢，混凝土强度等级为C30。2尔828(a)、梁的几何尺寸及荷载示意图2222222150 150 150RCBEAM-01 8757 875878785 75150 150 150150150 150：Jf-图5-9RCBEAM-02(b)、梁断面图梁尺寸、配筋及荷载示意图RCBEAM-032.1单元类型(i)混凝土单元：采用 ANSYS程序单元库中 SOLID65单元。(ii )纵

2、向钢筋：PIPE20(iii )横向箍筋：PIPE202.2材料性质(i )、混凝土材料表5-4混凝土材料的输入参数一览表混凝土立方体抗压强度 fcu ( N / mm2)弹性模量Ec c- 2(N/mm )泊松 比 _ '单轴抗压强度fc c- 2(N/mm )单轴抗拉强度fr一，2(N/mm )裂缝间剪力传递系数t张开闭合30240000.2025.03.11250.350.75单轴受压应力-应变曲线( 曲线)在ANSY0程序分析中，需要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 受压下的应力应变采用Sargin和Saenz模型17,18：Ec(5-30 )Ec2

3、Esc，-T式中取c c(1.028 0.1084 fc 片 fc；(ii )、钢材：(a)、本构关系(应力应变曲线)916在本算例中，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 其应力-应变曲线见图5-10。(T纵向钢筋横向箍筋钢支座 垫板受拉受压泊松比0.250.250.25一，2Es ( N /mm )2 1052 1052 105f y ( N /mm2)360210210360说 明表5-5钢材材性输入参数一览表fy(呼)£sEs图5-10 钢材的应力-应变关系(b)、屈服准则和强化准则钢材的屈服准则选用双线性随动强化材料(BKIN) 8。在ANS

4、Y§程序中，本算例中钢材的需要输入的参数为泊松比、弹性模量Es和屈服强度fy,钢材的输入参数见表 5-6。2.3建立模型(a)、单元划分本算例中的钢筋混凝土简支梁形状很规则，因此在ANSY§程序中采用了映射划分，所有实体单元都是正六面体单元。在加载点和支座处均加设40mmB的钢垫板，以避免出现局压破坏。另外，在加载点和支座处的网格进行了细分，以考虑应力集中。模型的单元网格图见图(b)、约束条件5-13。可可飞厂可可可丝斯三.11 .、：:二-V.V 二£二一二:TJ；L二.二二:iV V. = -.V.二=、; -JI I，- 3, SS> - - t -

5、- ! S'-" S! L-H !，L , ! , > ! r，.沙/息孙5YrM#耳 YN-ATN 1 MM » MH ma BJ MM M =* M - 3 “ . MM MM CM ' »UX=0UZ=0UX=0UY=0图5-11模型的约束条件根据对称性，可取图5-9中的1/2模型进行有限元分析。 相应的在ANSYS1程序模型中的约束条 件见图5-11。(c)、加载方式在本算例中，采用位移加载，即在加载点垫板中心施加一竖向位移，UY 15mmo在本算例中，没有考虑钢筋混凝土之间的粘结滑移性能，将钢筋与混凝土视为完全固结。FEM模型图和钢

6、筋网格图1,3,5,6见图5-12和图5-13所示。断面图配筋图RCBEAM-01RCBEAM-02RCBEAM-03图5-12各梁FEM模型断面图(a)单元网格图(b)钢筋单元划分图图5-13 算例(一)的FEM莫型图2.4模型求解在ANSY0程序中，对于非线性分析，求解步的设置很关键，对计算是否收敛关系很大，对于混凝土非线性有限元分析，在计算时间容许的情况下，较多的求解子步( Substeps )或较小的荷载步 和一个非常大的最大子步数更容易导致收敛 2。在本算例中，设置了 100个子步。最终本算例收敛 成功，在CPUt P41.6G、内存为256MB的微机上计算，耗时约为 8小时。2.5

7、计算结果及分析2.5.1 荷载一位移曲线图5-14为ANSY§程序所得到的各梁的荷载-跨中挠度曲线，从图中可以看出：(i)、梁RCBEAM-01曲线形状能基本反映钢筋混凝土适筋梁剪切破坏的受力特点，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的纵筋屈服后，由 于裂缝的开展，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，当应力达到混凝土强度极限时，剪切破坏发生，荷载突然降低。601201008040200 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24跨中挠度八(mm)0 2 4 6

8、8 10 12 14 16 18 20 22 24跨中挠度A (mm)'-FNKM矩弯中跨一(a)荷载P-跨中挠度曲线(a)弯矩M-跨中挠度曲线图5-14 (a)荷载一跨中挠度曲线(RCBEAM-01(ii )、梁RCBEAM-02荷载-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%与受拉区配筋率的增加量(100%)相比要低，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。16020140荷载P-跨中挠度40 0 2 46 8 10 12 14 16 18 20跨中挠度人(m

9、m升00 2 46 8 10 12 14 16 18 20矩弯中跨-跨中挠度八(mm) I(a)荷载P-跨中挠度曲线(a)弯矩M-跨中挠度曲线图5-14 (b)荷载一跨中挠度曲线(RCBEAM-02(iii )、梁RCBEAM-03荷载-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-01W两倍,表明受拉区所增加钢筋发挥了完全作用。表5-6计算结果与理论值比较计算项目RCBEAM-01RCBEAM-02RCBEAM

10、-03理论计 算结果ANSYS计算结果理论计 算结果ANSYS计算结果理论计 算结果ANSYS计算结果极限拶矩M u(kN mm)65.6667.7865.66123.12084.79123.120122.06max ( mm)9.3108.1829.31015.6359.79115.63514.796Vu (kN)148.9 * *112.83148.9 *141.317148.9 *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 适筋梁破坏形态说明表中带“*”抗剪承载力Vu没有考虑纵向钢筋的梢栓作用矩弯中跨14012010080604020

11、002 4 68 10 12 14 16 18 20|跨中挠度八(mm) |(a)弯矢I M-跨中挠度曲线图5-14 (c)荷载一跨中挠度曲线(RCBEAM-03表5-6为理论计算结果与 ANSY§程序计算结果的对比，从表 5-6中可以看出，(1)、ANSY0程序计算的跨中最大弯矩值与理论计算值比较接近，RCBEAM-0保口 RCBEAM-02a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，压区混凝土的剪断决定梁的最大 变形能力，梁的强度仍然由跨中垂直截面弯曲强度决定；而RCBEAM-0对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，表明梁ANSYSR程序计算的抗剪能力值为203.433kN,比理论计算的148.9 kN值高，这可能是因为纵筋的梢栓作用比较突出。从表5-6还可以看出，在纵筋屈服时刻，ANSY§程序计算的梁跨中最大挠度值比理论计算值略小，原因可能是由于没有考虑钢筋-混凝土之间的粘结滑移，而使整个梁的整体刚度有所增加。2.5.2 混凝土应力-应变本构关系比较图5-15为混凝土应力-应变曲线计