基于ANSYS程序的鋼筋混凝土梁非線性數值模擬

1、文章編號:1672-4348(200506-0628-05基于ANSY S 程序的鋼筋混凝土梁非線性數值模擬楊勇,郭子雄(華僑大學土木工程學院,福建泉州362021摘要:采用商用程序ANSY S 對不同配筋率的鋼筋混凝土梁進行非線性數值分析,以考察不同配筋率對鋼筋混凝土梁受彎性能的影響。結合數值模擬分析過程,詳細介紹了基于ANSY S 程序的鋼筋混凝土構件非線性數值分析的關鍵技術,分析了對不同配筋率的鋼筋混凝土梁的剛度變化、破壞特征、截面應力分布、裂縫發(fā)展和鋼筋、混凝土應力及應變發(fā)展過程。關鍵詞:鋼筋混凝土梁;數值模擬技術;ANSY S 程序;有限元分析中圖分類號:T U375.1文獻標識碼:

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前言鋼筋混凝土結構的三維非線性有限元數值模擬仍然是一個亟待解決的難題,往往需要復雜的編程和計算分析。商業(yè)通用程序ANSY S 是一個功能非常強大的有限元分析程序,在鋼筋混凝土非線性有限元分析計算方面具有很好的效果,并且借助于高級的可視化技術,使整個分析過程具有較好的開放性和可視性。本文通過3根鋼筋混凝土簡支梁的計算分析,對基于ANSY S 程序的鋼筋混凝土結

6、構數值模擬技術進行介紹。1鋼筋混凝土簡支梁模型鋼筋混凝土簡支梁的ANSY S 程序數值模擬的應用實例,梁的尺寸、配筋及荷載如圖1所示1。鋼筋采用HRB335級鋼筋,混凝土軸心抗壓強度f cu =30MPa 。收稿日期:2005-07-20基金項目:國家自然科學基金資助項目(50478120;福建省自然科學基金資助項目(E054006第一作者簡介:楊勇(1976-,男(漢,江西吉安人,工學博士,講師,研究方向:鋼-混凝土組合結構、結構抗震.第3卷第6期福建工程學院學報V ol.3N o.62005年12月Journal of Fujian University of T echnologyDec

7、.2005 圖1梁尺寸、配筋及荷載示意圖Fig.1Schem atic of RC beam size ,reinforcementand loading1.1單元類型1混凝土單元:采用ANSY S 程序單元庫中S O LI D65單元。2縱向鋼筋:PIPE203橫向箍筋:PIPE201.2材料性質1混凝土材料單軸受壓應力-應變曲線,在ANSY S 程序分析中,需給出混凝土單軸受壓下的應力應變曲線。在本算例中,混凝土單軸受壓下應力應變采用Sargin 和Saenz 模型24。其余輸入參數見表1。2鋼材:所有鋼材,包括梁中縱向主筋、橫向箍筋和鋼支座墊板均采用理想彈塑性模型1。鋼材的屈服準則選用雙

8、線性隨動強化材料BKI N 1。在ANSY S 程序中,鋼材需要輸入的參數為泊松比、彈性模量E s 和屈服強度f y 。表1混凝土材料的輸入參數一覽表T ab.1P arameter of concrete m aterials混凝土立方體抗壓強度f cu (N mm -2彈性模量E c (N mm -2泊松比 單軸抗壓強度f c (N mm -2單軸抗拉強度f r (N mm -2裂縫間剪力傳遞系數t 張開閉合30240000.2025.03.11250.350.751.3建立模型FE M 模型如圖2和圖3所示。圖2FEM 模型斷面圖Fig.2FEM model 圖3FEM 模型圖Fig.3

9、FEM model2計算結果及分析2.1荷載-位移曲線圖4、圖5為ANSY S 程序所得到的各梁的彎矩-跨中撓度曲線,從圖4、圖5可以看出:1梁RC BE AM -01:曲線形狀能基本反映鋼筋混凝土適筋梁彎剪破壞的受力特點,而且荷載-跨中撓度曲線與鋼筋混凝土梁的彎剪破壞形態(tài)非常類似,即當跨中彎矩最大截面縱筋屈服后,由于裂縫開展,壓區(qū)混凝土的面積逐漸減小,在荷載幾乎不增加的情況下,壓區(qū)混凝土所受的正應力和剪應力還在不斷增加,當應力達到混凝土極限壓應變時,破壞發(fā)生,荷載突然降低。2梁RC BE AM -02:彎矩-跨中撓度曲線與超筋梁的試驗荷載-跨中撓度曲線很相似,在荷載達到極限情況下,沒有出現屈

10、服平臺,而是突然跌落。極限彎矩值相對梁RC BE AM -01增加約30%,而鋼筋面積比RC BE AM -01增加了100%,表明受拉區(qū)所增加的鋼筋沒有完全發(fā)揮作用,與超筋梁類似。926第6期楊勇,等基于ANSY S 程序的鋼筋混凝土梁非線性數值模擬3梁RC BE AM-03:彎矩-跨中撓度曲線形狀介于適筋梁與超筋梁的試驗曲線之間,隨著撓度的增加,荷載幾乎成線性地增長,在荷載達到極限情況下,曲線出現一個較短的屈服平臺,隨后出現突然跌落情況。由于受拉區(qū)配筋量的加倍,極限彎矩值增加較大,相當于梁RC BE AM- 01兩倍,表明受拉區(qū)所增加鋼筋發(fā)揮了完全作用。圖4彎矩-跨中撓度曲線Fig.4Cu

11、rve of bending moment2midsp an deflection圖5彎矩-跨中撓度曲線Fig.5Curve of bending moment2midsp an deflection表2為理論計算結果5與ANSY S程序計算結果的對比,從表2可以看出:ANSY S程序計算的跨中最大彎矩值與理論計算值比較接近, RC BE AM-01和RC BE AM-02最大剪力比梁的斜截面抗剪能力低,即縱筋屈服決定梁的承載能力,壓區(qū)混凝土的壓碎決定梁的最大變形能力,梁的強度仍然由跨中垂直截面彎曲承載能力決定。RC BE AM-03的最大剪力比梁的斜截面抗剪能力要大,所以,梁的極限承載能力由

12、梁的斜截面抗剪能力決定,但從表中也可以看出,極限狀態(tài)下的最大彎矩計算值與理論計算值比較接近,而梁AN2 SY S程序計算的抗剪能力值為203.433kN,比理論計算的148.9kN值高,這可能是在ANSY S中考慮了理論計算中設有考慮的縱筋的梢栓作用。表2計算結果與理論值比較T ab.2Comp arison of calculation results with theoretical values計算項目RC BE AM-01理論計算結果ANSY S計算結果RC BE AM-02理論計算結果ANSY S計算結果RC BE AM-03理論計算結果ANSY S計算結果極限彎矩Mu(kNmm65

13、.6667.7865.66123.12084.79123.120122.06maxmm9.3108.1829.31015.6359.79115.63514.796 V ukN148.933112.83148.933141.317148.933203.433破壞類型受拉區(qū)單側配筋適筋梁破壞形態(tài)受拉區(qū)單側配筋超筋梁破壞形態(tài)拉壓區(qū)雙側配筋適筋梁破壞形態(tài)注:表中帶“33”抗剪承載力Vu沒有考慮縱向鋼筋的梢栓作用2.2鋼筋應力發(fā)展曲線圖6為梁RC BE AM-01中受拉區(qū)、受壓區(qū)縱向鋼筋的應力發(fā)展過程曲線,從圖6可以看出,梁中受拉區(qū)和受壓區(qū)主筋基本上是同時達到屈服強036福建工程學院學報第3卷度(分別為

14、360N mm 2和210N mm 2,然后均保持屈服強度的應力水平,直到最終破壞,彎剪段橫向箍筋未曾達到屈服強度210N mm 2 。圖6鋼筋應力發(fā)展曲線Fig.6Stress development curve of reinforced b ars圖7為梁RC BE AM -02中受拉區(qū)、受壓區(qū)縱向鋼筋的應力發(fā)展過程曲線,從圖7可以看出,梁中受壓區(qū)主筋首先達到屈服強度(210N mm 2,并保持屈服強度直到極限荷載,梁中受拉區(qū)兩排鋼筋始終沒有達到屈服強度(360N mm 2,屬于超筋梁的破壞形態(tài);底排鋼筋(受拉鋼筋-1和上排鋼筋(受拉鋼筋-2的應力分別為300N mm 2和210N mm

15、 2; 彎剪段中部橫向箍筋未曾屈服強度。圖7鋼筋應力發(fā)展曲線Fig.7Stress development curve of reinforced b ars圖8為梁RC BE AM -03中受拉區(qū)、受壓區(qū)縱向鋼筋的應力發(fā)展過程曲線,從圖8可以看出,梁中受拉區(qū)底排鋼筋(受拉鋼筋-1首先達到屈服強度(360N mm 2,然后上排鋼筋(受拉鋼筋-2屈服;受壓區(qū)兩排主筋均未達到屈服強度,底排鋼筋(受壓鋼筋-1和上排鋼筋(受壓鋼筋-2的應力分別為300N mm 2和210N mm 2;彎剪段中段橫向箍筋達到屈服強度210N mm 2 。圖8鋼筋應力發(fā)展曲線Fig.8Stress development

16、 curve of reinforced b ars2.3梁彎剪段剪應力、正應力的分布規(guī)律圖9為梁RC BE AM -01彎剪段在極限狀態(tài)時各截面的正應力、剪應力分布規(guī)律,從圖9(a 中可以看出,各截面剪應力的最大值的連線(圖中虛線大致反映了斜裂縫的形態(tài),圖9(b 從支座到加載點,各截面的縱向正應力逐漸增加,至加載點最大,這與梁中彎剪段的剪應力和正應力分布吻合2 。圖9梁彎剪段不同橫截面上的應力分布規(guī)律圖Fig.9Stress distribution of different sectionsof RCBEAM136第6期楊勇,等基于ANSY S 程序的鋼筋混凝土梁非線性數值模擬2.4裂縫形

17、態(tài)及發(fā)展過程圖10為梁RC BE AM -01的裂縫形態(tài)及發(fā)展過程,從圖10可以看出,首先在梁的跨中純彎段出現受拉裂縫,且自下向上延伸,荷載繼續(xù)增加,剪跨段內相繼出現受彎裂縫,該裂縫在底部是垂直于縱向鋼筋,向上延伸時開始傾斜, 形成彎剪裂縫。在距支座一定距離內出現約45°的斜裂縫,形成腹剪裂縫。荷載繼續(xù)增加,純彎段和彎剪段的裂縫均繼續(xù)發(fā)展,但純彎段裂縫發(fā)展到一定高度后,向上延伸停止,而彎剪段的斜裂縫發(fā)展完全,最終,因受壓區(qū)的混凝土被壓碎而發(fā)生破壞。由于在此模型中未曾考慮鋼筋與混凝土之間的粘結滑移,因此未曾發(fā)現粘結裂縫。圖10裂縫形態(tài)及發(fā)展過程Fig.10Crack morphology and its development3結語本文以3根鋼筋混凝土梁作為算例進行了ANSY S 程序計算分析,結合此算例,對ANSY S 程序中鋼筋混凝土有限元分析的從前處理到后處理的全過程進行了介紹、調試和驗證,結果表明:ANSY S 程序能夠較方便地用于對混凝土結構進行有限元分析,而且建模方便,計算結果與試驗結果比較吻合,可以對鋼筋混凝土結構進行比較深入的研究。參考文獻:1楊勇.