基于ANSYS的钢筋混凝土梁非线性分析若干问题研究

ANSYS的钢筋混凝土梁非线性分析

第9卷第2期2011年4月

水利与建筑工程学报

Vol.9No.2Apr.,2011

基于ANSYS的钢筋混凝土梁非线性

分析若干问题研究

高　丽1,曾晓云2,王　勇2

(石河子大学水利建筑工程学院,新疆石河子832003)

摘　要:基于ANSYS软件,分析总结了钢筋混凝土梁非线性有限元分析中需要正确处理和解决的诸如单元选择、材料本构关系、加速收敛等若干问题,用ANSYS对一钢筋混凝土简支梁进行非线性分析,研究梁荷载与跨中挠度关系、刚度变化及裂缝发展形态,为类似的模拟分析提供可靠的理论依据。关键词:ANSYS;钢筋混凝土梁;非线性;有限元

中图分类号:TU375.1　　　　　文献标识码:A　　　　文章编号:1672—1144(2011—0092—03

ResearchonSeveralProblemsRCBeamsBG,ZEX2ANGYong2

(CollegeofWater,ShiheziUniversity,Shihezi,Xinjiang832003,China)

Abstract:ThethenonlinearanalysisofRCbeamsareanalyzedandsummarizedherebasedonANSYS,suchasselection,theconstitutiverelationshipofmaterials,theaccelerationofconvergence,etc.ThenonlinearanalysisiscarriedoutforaRCbeambyusingANSYS.Therelationshipofloadandmiddlespandeflec2tion,andthedevelopmentofstiffnessandcracksintheRCbeamareanalyzed.Theanalysisresultscouldprovideabasicadviceforsimilarcases.

Keywords:ANSYS;reinforcedconcretebeam;nonlinear;finiteelement

0　前　言

　　钢筋混凝土是土木行业中应用最广泛的工程材

料,其性质复杂,材料非线性和几何非线性同时存在。用传统方法分析往往难度较大,而有限元方法在钢筋混凝土非线性分析中显示出越来越大的实用性和方便性。通过对钢筋混凝土简支梁的非线性有限元分析研究表明[1-3]:ANSYS计算结果基本能反映简支梁荷载—位移关系、混凝土和钢筋的应力发展过程、混凝土裂缝的形态及发展等性能,能较好地符合梁的受力机理;但在繁琐的模拟分析过程中,如果模型建立不当,各种参数选项设置不合理,本构模型及屈服准则选取不当,则无法保证模拟结果的可靠性和正确性。因此,必须正确处理和解决上述若干问题,并根据实际情况反复多次调试,才能得出钢筋混凝土结构的应力、变形、开裂、压碎的正确结果。

1　非线性分析时应注意的若干问题

1.1　关于模型

钢筋混凝土有限元模型根据钢筋的处理方式主

要有分离式和整体式。整体式模型直接利用带筋的SOLID65单元模拟,建模简单,分析效率高,求解易于收敛

,但所得的结果较粗略,不适用于钢筋分布较不均匀的区域,且得到钢筋内力比较困难。分离式模型是按照混凝土与钢筋不同的力学性能,选择不同的单元形式。利用空间杆单元LINK8或空间管单元PIPE20建立钢筋模型,与混凝土单元SOLID65共用节点。其优点是可任意布置钢筋并直观获得钢筋内力,考虑了钢筋和混凝土之间的粘结和滑移的实际情况,所得结果较为真实可靠,但建模复杂,求解不易收敛;需要考虑共用节点的位置,容易出现应力集中的问题。

收稿日期:2010201228　　　　　修稿日期:2011203210

),女(汉族),河南夏邑人,硕士,讲师,主要从事结构工程的教学及研究工作。作者简介:高丽(1981—

ANSYS的钢筋混凝土梁非线性分析

第2期　　　

　　　　　　高　丽,等:基于ANSYS的钢筋混凝土梁非线性分析若干问题研究93

鉴于此,对于一些准确性要求相对较低的定量分析问题或一些定性分析问题都可采用整体式模型,而对一些准确性要求较高的定量分析问题则要采用分离式模型。分离式和整体式模型适用于二维和三维结构分析。1.2　单元选择及网格划分

有考虑1～5个参数的多种方法。一般来说,强度准

则的参数越多,对混凝土强度性能的描述就越准确。SOLID65单元采用的William-Warnke5参数强度准则,包括单轴抗拉强度,单轴、双轴抗压强度,静水压力,在静水压力作用下的双轴、单轴抗压强度、张开裂缝剪切传递系数、闭合裂缝剪切传递系数等参数。一般情况下,张开裂缝剪切传递系数取0.3～0.5,闭合裂缝剪切传递系数取0.9～1.0[5]。1.5　解决收敛问题的方法

用ANSYS来分析钢筋混凝土梁时,混凝土开裂前收敛比较容易,在梁的开裂阶段和破坏阶段,非线性有限元模型常难于收敛,导致计算提前结束,模拟值较试验值低。敛问题:

)、,有效避免应(。在迭代计算过程,。对于收敛标准,一般位移控制加载最好用位移的∞-范数控制收敛,而用力控制加载时可以用残余力的2-范数控制收敛。系统默认的收敛容差值为0.1%,在梁受力的开裂阶段和破坏阶段,材料非线

在分离式模型中,选择的单元对象为两种:SOL2ID65和LINK8。SOLID65单元,主要用于模拟三维混凝土单元。其实体模型具有拉裂、压碎、塑性变形及徐变、单元生死等性能。钢筋模拟采用LINK8单元,用于模拟钢杆,斜拉索等。单元的2个节点具有3个方向的自由度,LINK8单元只能承受拉应力和压应力,不承受弯矩和剪力,它具有塑性、膨胀、应力刚化、大变形、大应变、单元生死等功能[4]

。

在实际应用过程中应该对单元划分进行有效控制,对于非线性响应强烈的区域,为避免应力集中,应粗划应力集中区域的网格尺寸。大于5cm时,题。1.3　在用ANSYS,混析有重大影响。混凝土单元需要定义本构关系和破坏准则。1.3.1　混凝土材料非线性本构模型

SOLID65单元可以使用的本构关系有等强硬化

性响应强烈,建议设置比较大的收敛容差,以利于计

算收敛。应该注意的是,调整收敛容差只是放宽条件,加速了收敛,不能彻底解决收敛问题。

(3)施加位移荷载。在ANSYS中,有两种施加荷载的方式:一种是施加集中荷载;另一种是施加位移荷载。位移加载法在获取结构跨越极值点之后的下降段负刚度方面有独特优势,更利于正确获取结构的受力全过程性能曲线。从整体上看,位移荷载作用下模型的极限承载力与实际情况较接近,而集中力荷载作用下模型的极限挠度与实际情况较接近。

(4)加快收敛的参数化设置。ANSYS求解混凝土非线性问题,可使用增量迭代法或弧长法。当选用增量法时,应打开线性搜索、自动时间步长等功能以加速收敛;而使用弧长法时,线性搜索、自动时间步长选项将自动关闭。

(5)混凝土压碎的设置。对钢筋混凝土梁进行非线性分析的过程中,关闭压碎开关时计算容易收敛,而打开压碎开关时计算比较难收敛。如果是正常使用情况下的计算,建议关掉压碎选项;如果是极限计算,建议使用混凝土自带的破坏准则以及多线性各项同性硬化流动律,且关闭压碎检查;如果必须

模型、随动硬化模型和Drucker-Prager模型(D-P模型)。在任一应力水平情况下,弹塑性应变增量和应力增量之间的关系近似地表示为线性关系:{σ}=[D]{ε}。1.3.2　钢筋本构模型

钢筋一般采用双线性理想弹塑性模型,应力应

εε变关系为:εs≤y,σs=Ess;εs>εy,σs=fy。

当不输入本构关系时,在混凝土开裂和压碎前,ANSYS采用缺省的本构关系,即混凝土和钢筋均采用线性本构关系。要输入混凝土的本构关系,首先确定采用何种单轴受压的应力应变关系。该关系表

(G达式众多,建议采用《混凝土结构设计规范》B

50010-2002)推荐公式或Hongnested公式。前者采用的应力-应变关系曲线由上升段和水平段组成,后者建议的本构关系的应力-应变曲线的上升段为抛物线,下降段为斜直线。1.4　屈服准则

由于混凝土材料的复杂性,混凝土的强度准则

ANSYS的钢筋混凝土梁非线性分析

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　水利与建筑工程学报　　　　　　　　　　　　　　　　　　第9卷94

设压碎检查,则要通过大量的试算以达到目的。

2　算例

2.1　建模、加载及求解

器[7]。分析结果显示:这些措施切实有效,收敛程度

能较好地满足研究需要。

一矩形截面钢筋混凝土简支梁b×h=150mm×300mm,采用C20混凝土,配有2<18的纵向受拉钢筋、2<8的受压钢筋,箍筋采用<8@100的双肢箍,如图1所示。现用ANSYS软件建立分离式实体模型,混凝土及钢筋的材料计算参数见表1。假定钢筋与混凝土粘结良好,求混凝土梁的荷载-位移曲线,分别分析讨论此梁的受力、变形及开裂情况

。

图3　混凝土有限元模型

图1　简支梁几何尺寸表1　材料参数

材料类别

C20混凝土

弹性模量

/0.200.250.30

ft/fy/MPa

图4　简支梁荷载-挠度曲线

210000

1.1

210300

一级钢筋二级钢筋

图4中梁的荷载挠度曲线说明:模型刚度的变化过程大体经历了三个阶段:在加载初期混凝土开

裂以前,曲线近似为直线;当荷载增加到6kN～8

kN时,混凝土发生开裂,裂缝的出现导致了曲线斜率的降低,即出现应力软化现象;随着荷载的进一步增加,曲线又近似接近直线,当荷载增加到45kN左右时,纵向受力钢筋开始屈服,并进入塑性阶段。

　　建立模型时,由于对称性,只需建立1/2模型,在对称面上施加对称约束

,混凝土用SOLID65单元

模拟,钢筋用LINK8单元模拟。钢筋采用双线性等向强化理性弹塑性材料模型,钢筋有限元模型如图2所示。混凝土采用单轴多折线混凝土受压应力-应变关系[6]。混凝土有限元模型如图3所示。裂缝张开传递系数取0.4,裂缝闭合传递系数取1.0。

图2　钢筋有限元模型

图5　钢筋主拉应力图(P=10kN)

2.2　计算结果及分析

从图5可以看出,当P=10kN时,受拉区混凝土刚开裂不久,钢筋拉应力的最大值出现在跨中下

部受拉钢筋处,最大值为42.11MPa。受拉钢筋未达到屈服强度。

(下转第97页)

计算中关闭混凝土压碎开关;设置非线性收敛值为0.05,加载子步数量为

200,求解开始后打开自动时间步控制、线性搜索及大变形开关,并开启预测

ANSYS的钢筋混凝土梁非线性分析

第2期　　　　　　　　　　　李　蓬:有限元重度加大法与强度折减法的对比分析97

参考文献:

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图3　坡度为1∶1.5

时安全系数对比图

[4]　连镇营,韩国城,孔宪京.强度折减有限元法研究开挖

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图4　坡度为1∶1时安全系数对比图

,.(第三版)[M].北京:

(3)边坡坡度较大时,,2003:1062110.

]　刘红丹,毛朝亮,关永平.边坡稳定性分析方法及数值

二者相等。

。

模拟[J].水利与建筑工程学报,2010,8(3):1012103.

　　(上接第94页)

图6中梁底部跨中的粗线条表示裂缝出现的位置及开展深度,可以看出,跨中截面和梁底部裂缝较多,这与钢筋混凝土梁的试验结果是吻合的。

效和滑移的产生,如要考虑此效应,则可在钢筋和混凝土之间引入弹簧单元进行模拟。

(3)将来随着研究的深入,在建立有限元模型时,应该考虑配筋率、加载方式等更多复杂因素的影响,使混凝土结构的研究更准确。参考文献:

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126.

[4]　郝文化.ANSYS土木工程应用实例[M].北京:中国水

3　结　论

(1)采用ANSYS对钢筋混凝土梁作非线性分析

利水电出版社,2005:83291.

[5]　江见鲸,陆新征,叶列平.混凝土结构有限元分析[M].

时,只有正确处理单元选择、材料本构关系、屈服准

则、荷载步及收敛标准等若干问题,才能保证分析结果的可靠性和准确性。

(2)文章分析中,忽略了钢筋与混凝土之间的粘结与滑移,而一般的钢筋混凝土结构大多数处于带裂缝工作状态,混凝土的开裂必然导致粘结的失

北京:清华大学出版社,2004.

[6]　龚曙光,谢桂兰.ANSYS操作命令与参数化编程[M].

北京:机械工业出版社,2004:1592179.

[7]　赵亚敏,唐习龙.基于ANSYS钢筋混凝土梁开裂有限

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