基于ansys的钢筋混凝土简支梁极限承载能力分析

基于ansys的钢筋混凝土简支梁极限承载能力分析

1维钢筋混凝土非线性分析的困难钢筋混凝土结构是目前使用最广泛的结构形式。然而，人们对其力学的一般了解甚少，尤其是混凝土。长期以来,人们用线弹性理论来分析钢筋混凝土结构的应力或内力,而以极限状态的设计方法确定构件的承载能力、刚度和抗裂性,显然二者是互不协调的。近年来,随着有限元数值方法的发展和计算机技术的进步,人们已经可以利用钢筋混凝土有限元分析方法对混凝土结构的极限承载能力作比较精确的分析了。钢筋混凝土有限元分析是研究混凝土结构性能的有力工具,可以对结构自开始受荷载直到破坏的全过程进行分析,获得不同阶段的受力性能。但是由于混凝土材料性质的复杂性,编制三维钢筋混凝土非线性分析的通用有限元程序是相当困难的。ANSYS软件是当今通用的有限元分析工具,它有众多的材料模型可供选择,因此可以从中挑选合适的材料模型对钢筋混凝土结构进行准确可靠的分析。2材料破坏准则钢筋混凝土有限元分析一般有三种离散模型:分离式,组合式和整体式。对于这三种离散模型钢筋混凝土有限元分析均可得到良好结果。本文采用的是比较直观、便于理解的分离式模型,常用的单元有混凝土单元、钢筋单元和粘结单元。在ANSYS中能够用来模拟混凝土拉裂和压碎破坏的只有三维实体单元SOLID65,钢筋可用LINK8模拟。混凝土材料模型计算脆性材料破坏,考虑了开裂和压碎两种破坏模式。ANSYS中的混凝土(Concrete)材料破坏准则(Failurecriterion)是Willam-Wamker五参数破坏准则和拉应力准则的组合模式。多轴应力状态下破坏准破坏准则可表达为Ffc−S≥0(1)Ffc-S≥0(1)式中,F为主应力状态函数;S为破坏面(Failuresurface),由主应力和输入的五参数确定;fc为单轴抗压强度。如果不满足式(1),则混凝土无开裂和压碎发生;若满足该式时,当任一主应力为拉应力时,则材料开裂;当所有主应力均为压应力时,则材料被压碎。在混凝土受压区采用Willam-Wamker五参数破坏准则,与其它破坏准则相比最突出的优点是采用椭圆组合能符合扁平面几何要求,在较低静水压力时与试验规律一致;在较高静水压力时与试验数据相差较大,所以在用ANSYS分析较高静水压力时的混凝土应予以注意,对于较低静水压力下的钢筋混凝土梁其精度完全可以满足。3本构关系和破坏准则组合对于钢筋其材料性质比较明确,各分析方案全用各向随动硬化材料模拟即钢筋采用弹塑性本构关系。ANSYS中默认的混凝土的本构关系是线弹性的,即在压碎前应力—应变关系为线性,这显然不能够满足对钢筋混凝土结构从受荷载直到破坏的进行全过程分析的要求。因此,要在材料性质中加入反映其本构关系的特性。由于钢筋混凝土结构是钢筋和混凝土的组合体所以其破坏准则的选取也不是单一的。ANSYS为了满足对多种不同材料分析的需要提供了众多的材料本构关系和破坏准则,本文将适合钢筋混凝土有限元分析的不同本构关系和破坏准则进行组合对一试验梁进行分析,并详细比较讨论分析结果,以期获得最佳的分析方案。从以往的资料来看,利用有限元程序分析钢筋混凝土结构混凝土一般不考虑混凝土材料单轴应力—应变曲线的下降段,本文将就这一问题分两种情况来研究以期得到混凝土单轴应力—应变曲线下降段对极限荷载的影响。一共提出了六种本构关系和破坏准则的组合方案:(1)混凝土采用默认的线弹性本构关系及默认的破坏准则(拉应力准则和W-W准则);(2)混凝土采用默认的线弹性本构关系,假设混凝土只会被拉裂不会被压坏即关闭混凝土的压碎功能(拉应力准则);(3)混凝土采用多线性随动(MKIN)本构关系,默认的破坏准则(拉应力准则和W-W准则);(4)混凝土采用多线性随动(MKIN)本构关系,输入的混凝土单轴应力—应变曲线不考虑下降段,关闭混凝土的压碎功能(拉应力准则);(5)混凝土采用非线性弹性(MELAS)本构关系,关闭混凝土的压碎功能(拉应力准则);(6)混凝土采用多线性随动(MKIN)本构关系,输入的混凝土单轴应力—应变曲线考虑下降段,关闭混凝土的压碎功能(拉应力准则)。各种组合方案见表1。4混凝土应力—实例分析对一混凝土梁(混凝土强度等级为C70,采用Ⅳ级钢筋)用大型通用结构分析软件ANSYS进行分析。其受力钢筋为Ⅳ-3Φ12、构造钢筋为Ⅱ-2Φ6。梁的加载试验情况、断面尺寸及配筋如图1所示。计算中所需要的材料常数由试验所得:混凝土抗压强度fc=56.47MPa;初始弹性模量Ec0=38.2×103MPa;混凝土抗拉强度ft=3.63MPa;混凝土应力峰值的应变ε=0.02;Ⅳ级钢筋屈服强度fg=662MPa;Ⅳ级钢筋弹摸Es=201.1×103MPa。钢筋的应力—应变关系如图2所示。混凝土受压应力—应变曲线上升段采用CEB/FIP公式,下降段采用清华大学公式。CEB/FIP公式(上升段)σ=fcE0Ecεεc−(εεc)21+(E0ES−2)εεc(2)σ=fcE0Ecεεc-(εεc)21+(E0ES-2)εεc(2)清华大学公式(下降段)σ=ESεα(εεc−1)2+εεc(3)σ=ESεα(εεc-1)2+εεc(3)式中,α为独立参数,这里取2。输入的混凝土应力—应变曲线分两种情况,第一种情况:不考虑混凝土材料单轴应力—应变曲线的下降段,输入的应力—应变曲线如图3(a);第二种情况:考虑混凝土材料单轴应力—应变曲线的下降段,输入的应力—应变如图3(b)所示。5结果比较5.1理论计算值钢筋混凝土结构极限状态法单筋矩形截面受弯梁的计算公式:力平衡条件∑H=0fcbx=fyAs(4)fcbx=fyAs(4)力矩平衡条件∑M=0M≤Mu=fcbx(h0−x2)(5)Μ≤Μu=fcbx(h0-x2)(5)和M≤Mu=fyAs(h0−x2)(6)Μ≤Μu=fyAs(h0-x2)(6)式中,M为设计弯矩;Mu为构件正截面抗弯强度,即截面的实际破坏弯矩;fc为混凝土的抗压强度,这里取56.47MPa;fy为钢筋的受拉强度,这里取662.0MPa。由式(4)和(5)或(6)即可求得该混凝土简支梁钢筋屈曲时的理论计算值:86.08kN。试验结果为:83.0kN。5.2混凝土本构关系方案比较本例用SOLID65模拟混凝土,LINK8模拟钢筋,采用分离式模型,混凝土单元与钢筋单元通过共同的节点连接,既不考虑钢筋与混凝土之间的滑移。建立了六种分析方案。(1)方案一由于采用ANSYS默认的线弹性本构关系及破坏准则,在荷载较小时便由于局部受压混凝土满足破坏准则,从而导致计算不收敛程序退出计算。(2)方案二关闭混凝土的压碎开关,且混凝土材料采用ANSYS默认的线弹性本构关系未考虑混凝土受压时的非线性行为,所以分析计算所得的钢筋屈曲时的荷载分析值比试验值略大。(3)方案三采用ANSYS默认的混凝土破坏准则,混凝土材料采用多线性随动硬化本构关系。方案三考虑混凝土受压时的非线性行为,但是由于采用默认的混凝土破坏准则,所以往往在荷载较小时便由于局部受压混凝土满足破坏准则,从而导致计算不收敛程序退出计算。(4)方案四关闭混凝土的压碎开关使得混凝土默认的破坏准则失效,混凝土材料服从以单轴应力—应变关系为基础的多线性随动强化本构关系,分析结果与实测值十分吻合。(5)与方案四相比较,主要区别是方案四混凝土材料采用多线性随动硬化,其本构关系是经典塑性理论为基础,而方案五混凝土材料采用的非线性弹性本构关系属于经验型,其分析值与实测值也吻合。(6)与方案四相比较,区别是方案四输入的混凝土单轴应力—应变曲线不考虑下降段而方案六输入的混凝土单轴应力—应变曲线考虑下降段,其分析值与实测值的相差较大,说明以经典塑性理论为基础的混凝土本构关系不能分析混凝土的软化阶段本构关系。六种方案与实测值的荷载-位移曲线对比如图4所示。6