基于ANSYS程序的钢筋混凝土梁非线性数值模拟_图文

1、文章编号:1672-4348(200506-0628-05基于ANSY S 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ANSY S 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ANSY S 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;ANSY S 程序;有限元分析中图分类号:T U375.1文献标识码:

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ANSY S 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ANSY S 程序的钢筋混凝土结

6、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ANSY S 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f cu =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.第3卷第6期福建工程学院学报V ol.3N o.62005年12月Journal of Fujian University of T echnologyDec

7、.2005 图1梁尺寸、配筋及荷载示意图Fig.1Schem atic of RC beam size ,reinforcementand loading1.1单元类型1混凝土单元:采用ANSY S 程序单元库中S O LI D65单元。2纵向钢筋:PIPE203横向箍筋:PIPE201.2材料性质1混凝土材料单轴受压应力-应变曲线,在ANSY S 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

8、线性随动强化材料BKI N 1。在ANSY S 程序中,钢材需要输入的参数为泊松比、弹性模量E s 和屈服强度f y 。表1混凝土材料的输入参数一览表T ab.1P arameter of concrete m aterials混凝土立方体抗压强度f cu (N mm -2弹性模量E c (N mm -2泊松比 单轴抗压强度f c (N mm -2单轴抗拉强度f r (N mm -2裂缝间剪力传递系数t 张开闭合30240000.2025.03.11250.350.751.3建立模型FE M 模型如图2和图3所示。图2FEM 模型断面图Fig.2FEM model 图3FEM 模型图Fig.3

9、FEM model2计算结果及分析2.1荷载-位移曲线图4、图5为ANSY S 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RC BE AM -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RC BE AM -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

10、服平台,而是突然跌落。极限弯矩值相对梁RC BE AM -01增加约30%,而钢筋面积比RC BE AM -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ANSY S 程序的钢筋混凝土梁非线性数值模拟3梁RC BE AM-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RC BE AM- 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.4Cu

11、rve of bending moment2midsp an deflection图5弯矩-跨中挠度曲线Fig.5Curve of bending moment2midsp an deflection表2为理论计算结果5与ANSY S程序计算结果的对比,从表2可以看出:ANSY S程序计算的跨中最大弯矩值与理论计算值比较接近, 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。RC BE AM-03的最大剪力比梁的斜截面抗剪能力要大,所以,梁的极限承载能力由

12、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 SY S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ANSY S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T ab.2Comp arison of calculation results with theoretical values计算项目RC BE AM-01理论计算结果ANSY S计算结果RC BE AM-02理论计算结果ANSY S计算结果RC BE AM-03理论计算结果ANSY S计算结果极限弯矩M破坏类型受拉区单

13、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“33”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RC BE AM-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360N mm 2和210N mm 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210N mm 2 。图6钢筋应力发展曲线Fig.6Stress development curve of reinforced b ars图7为梁RC BE

14、 AM -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(210N mm 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(360N mm 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300N mm 2和210N mm 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.7Stress development curve of reinforced b ars图8为梁RC BE AM -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

15、拉钢筋-1首先达到屈服强度(360N mm 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300N mm 2和210N mm 2;弯剪段中段横向箍筋达到屈服强度210N mm 2 。图8钢筋应力发展曲线Fig.8Stress development curve of reinforced b ars2.3梁弯剪段剪应力、正应力的分布规律图9为梁RC BE AM -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

16、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.9Stress distribution of different sectionsof RCBEAM136第6期杨勇,等基于ANSY S 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RC BE AM -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&

17、#176;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.10Crack morphology and its development3结语本文以3根钢筋混凝土梁作为算例进行了ANSY S 程序计算分析,结合此算例,对ANSY S 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:ANSY S 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。参考文献:1杨勇.型钢混凝土粘结