基于ansys的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有限元分析

基于ansys的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有限元分析

1anasas結(jié)構(gòu)分析步驟aniss輔助分析軟件具有極其強(qiáng)大的預(yù)處理、計(jì)算和分析能力。它可以模擬各種物理場之間的集成效應(yīng)，如結(jié)構(gòu)?！罢麄€(gè)過程的模擬”和“整個(gè)過程的分析”可以實(shí)現(xiàn)。但ANSYS中提供的材料模型大多數(shù)為基于經(jīng)典材料力學(xué)理論的均質(zhì)材料模型,與混凝土的本構(gòu)關(guān)系有很大區(qū)別。借助ANSYS對鋼筋混凝土這種復(fù)雜材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí),需要針對分析對象的結(jié)構(gòu)層次、分析類型、荷載水平等合理采取單元類型和材料模型,才能夠取得滿意的分析結(jié)果。結(jié)構(gòu)分析的主要步驟為:①建立結(jié)構(gòu)模型。定義單元類型、賦予單元實(shí)常數(shù)構(gòu)成結(jié)構(gòu)幾何體;定義幾何體材料屬性從而構(gòu)成結(jié)構(gòu)模型;對結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行劃分網(wǎng)格。②施加載荷和邊界條件。根據(jù)工程具體分析要求,等效簡化邊界約束,布置承受荷載。③校驗(yàn)、求解。運(yùn)行過程中通過參數(shù)效驗(yàn)、檢查模型建立的準(zhǔn)確性,及時(shí)進(jìn)行修正。④評價(jià)和分析結(jié)果。運(yùn)行結(jié)果可以通過控制輸出模式,根據(jù)需要得到各種有關(guān)的力學(xué)性能參數(shù),以表格、圖形、動(dòng)畫等各種形式表現(xiàn)輸出,對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析評價(jià)。2單元類型的選取通常鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有限元分析單元分為兩個(gè)層次:桿系單元和實(shí)體單元。前者著重分析單元力(包括力和彎矩)與位移(包括位移和轉(zhuǎn)角)之間的關(guān)系,而后者著重分析單元的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系。單元類型的選取應(yīng)兼顧計(jì)算規(guī)模、材料模型的精度等多方面的因素。對于全結(jié)構(gòu)規(guī)模較大,可將結(jié)構(gòu)離散成桿系單元進(jìn)行分析。對于復(fù)雜區(qū)域(梁柱節(jié)點(diǎn))或重要的構(gòu)件等可將桿系結(jié)構(gòu)體系計(jì)算的力和位移施加到實(shí)體單元模型上,分析局部應(yīng)力和應(yīng)變。在結(jié)構(gòu)分析中應(yīng)盡可能多地采用三維實(shí)體單元模型,力求最大程度的真實(shí)模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)構(gòu)件。3土體結(jié)構(gòu)模型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)不同于一般均質(zhì)材料,它是由鋼筋和混凝土兩種材料構(gòu)成的,一般鋼筋是被包圍在混凝土之中,而且相對體積較少,因此建立結(jié)構(gòu)有限元模型需考慮這些特性。構(gòu)成鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的有限元模型主要有以下三類:3.1形單元處理模型分離式模型把混凝土和鋼筋作為不同的單元來處理,即混凝土和鋼筋各自被劃分為足夠小的單元。考慮到鋼筋是一種細(xì)長材料,通?？珊雎云錂M向抗剪強(qiáng)度。這樣,可以將鋼筋作為線形單元處理(如ANSYS中的link8單元)。混凝土可采用四面體單元等實(shí)體單元(如ANSYS中的solid65單元)。在該模型中,鋼筋和混凝土之間可以插入聯(lián)結(jié)單元來模擬鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)和滑移,若鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)很好,不會(huì)有相對滑移,則可視為剛性聯(lián)結(jié),可以不考慮聯(lián)結(jié)單元問題。眾所周知,鋼筋混凝土是存在裂縫的(否則鋼筋難以發(fā)揮作用),而開裂必然導(dǎo)致鋼筋和混凝土變形不協(xié)調(diào),也就是說必然存在粘結(jié)失效和滑移的產(chǎn)生,因此這種模型被廣泛的應(yīng)用。單元?jiǎng)偠染仃嚨耐茖?dǎo)與一般有限元相同。3.2混凝土與鋼筋粘結(jié)組合式模型是假設(shè)鋼筋以一個(gè)確定的角度分布在整個(gè)單元中,并假設(shè)混凝土與鋼筋之間存在著良好的粘結(jié),認(rèn)為兩者之間無滑移。又分為分層組合方式和帶鋼筋膜的方式等。該單元?jiǎng)偠染仃囃茖?dǎo)時(shí)分別求出各自的單元?jiǎng)偠?然后組合起來。3.3單元?jiǎng)偠染仃囌w式模型是假設(shè)鋼筋分布于整個(gè)單元中,并把單元視為連續(xù)均勻材料(如ANSYS中的四面體等實(shí)體單元-solid65單元選擇混凝土材料時(shí)),采用混凝土-鋼筋復(fù)合的本構(gòu)關(guān)系,把混凝土、鋼筋二者的貢獻(xiàn)組合起來,一次求得綜合的單元?jiǎng)偠染仃?。后兩種模型共同點(diǎn)是它們的單元?jiǎng)偠染仃嚩际欠从充摻罨炷恋木C合剛度。4結(jié)構(gòu)裂縫處理混凝土最重要的特征之一是其抗拉強(qiáng)度很低,在很多情況下混凝土結(jié)構(gòu)是帶縫工作的。裂縫引起周圍應(yīng)力的突然變化和剛度降低。裂縫處理的適當(dāng)與否是能否正確地分析鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵問題。同時(shí),也是較難處理的復(fù)雜問題。目前,處理裂縫的方法有3種。4.1模擬和描述裂縫在單元和單元之間的邊界也稱單元邊界的單獨(dú)裂縫模型,即將裂縫處理為單元邊界,一旦混凝土開裂,就增加新的結(jié)點(diǎn),重新劃分單元,使裂縫處于單元和單元邊界之間。該方法可以模擬和描述裂縫的發(fā)生和發(fā)展,甚至裂縫寬度也可確定。但因幾何模型的調(diào)整、計(jì)算量大等,其應(yīng)用受到限制。4.2積分點(diǎn)區(qū)域開裂也稱單元內(nèi)部的分布裂縫模型,以分布裂縫來代替單獨(dú)的裂縫,即在出現(xiàn)裂縫以后,仍假定材料是連續(xù)的,仍然可用處理連續(xù)體介質(zhì)力學(xué)的方法來處理。某單元積分點(diǎn)的應(yīng)力超過了開裂應(yīng)力,則認(rèn)為整個(gè)積分點(diǎn)區(qū)域開裂,并且認(rèn)為是在垂直于引起開裂的拉應(yīng)力方向形成了無數(shù)平行的裂縫,而不是一條裂縫。由于不必增加節(jié)點(diǎn)和重新劃分單元,很容易由計(jì)算自動(dòng)進(jìn)行處理,因而得到廣泛的應(yīng)用。4.3應(yīng)力應(yīng)變場分布的研究尚不成熟斷裂力學(xué)在混凝土結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域的研究十分活躍,但主要都集中于單個(gè)裂縫的應(yīng)力應(yīng)變場的分布問題,對于多個(gè)裂縫及其各個(gè)裂縫之間的相互影響問題,研究工作目前尚不成熟。5不同模型用于aniss的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)5.1混凝土結(jié)構(gòu)單元在ANSYS中可選分離式模型和整體式模型。在分離式模型中,鋼筋和混凝土可以采用不同的單元?jiǎng)澐址绞?例如均采用體單元,但是這種模型的收斂性常存在問題。在整體式模型中,有專門用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的Solid65單元及Concrete材料,可以考慮反映混凝土壓潰和開裂。Solid65單元為八節(jié)點(diǎn)六面體單元,通過定義三個(gè)方向的配筋率考慮三個(gè)方向的鋼筋情況?；炷敛牧峡赏ㄟ^選取非線性模型考慮塑性變形和徐變。Concrete材料模型的基本參數(shù)有開裂截面和裂縫閉合截面的剪切傳遞參數(shù),單軸和多軸的抗拉、抗壓強(qiáng)度等。這種模型比較容易得到收斂的解。5.2anasas結(jié)構(gòu)模型ANSYS軟件中提供了許多材料模型,材料屬性有:線性材料和非線性材料;同性、正交各向異性和非彈性材料;溫度相關(guān)和溫度無關(guān)材料等。但大多數(shù)為基于經(jīng)典材料力學(xué)理論的均質(zhì)材料模型,與混凝土的本構(gòu)關(guān)系有很大區(qū)別,這些材料模型包括經(jīng)典雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型(BilinearKinematic,BKIN)、多線隨動(dòng)強(qiáng)化模型(MultilinearKinematic,MKIN)、雙線等向強(qiáng)化模型(BilinearIsotropic,BISO)、多線等向強(qiáng)化模型(MultilinearIsotropic,MISO)等,這些材料模型均符合VonMise屈服準(zhǔn)則,其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線如圖1。鋼筋混凝土中鋼筋作為一種金屬材料,其力學(xué)模型相對容易把握,可采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型(BKIN)?；炷磷鳛橐环N混合材料,其本構(gòu)關(guān)系非常復(fù)雜如圖2。ANSYS中多線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型(MKIN)合理的選取參數(shù)后可以比較接近混凝土模型如圖3。該模型可以描述下降段,反映混凝土的軟化。也可以通過合理采用σ1、σ2、σ3的值調(diào)整本構(gòu)模型曲線,模擬材料的“包興格效應(yīng)”。但是,該模型還不足以反映混凝土材料特性,如該模型無法反映混凝土壓潰和開裂后退出工作的特性,而混凝土不開裂則鋼筋不能發(fā)揮作用從而未能發(fā)揮鋼筋混凝土的優(yōu)勢。因此,該模型可以在線彈性階段或混凝土單調(diào)加載進(jìn)入非線性階段范圍內(nèi)描述混凝土的特性,該模型還不能夠完整地描述混凝土特性。5.3裂縫模型ANSYS采用分布裂縫模型。6維實(shí)體模型建立過程現(xiàn)以山東省濰北水廠平流式沉淀池在正常運(yùn)行狀態(tài)下池壁應(yīng)力分析為例,說明三維實(shí)體有限元模型的建立過程。該沉淀池為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),總有效長度為72m,有效高度為3.5m,超高0.3m,總寬度19.3m,設(shè)二組對稱布置。6.1壁應(yīng)力分析根據(jù)池體結(jié)構(gòu)對稱的工程特點(diǎn),結(jié)構(gòu)分析模型取三維實(shí)體模型,選取單池1/4進(jìn)行池壁應(yīng)力分析,壁底部約束簡化為固定支座,結(jié)構(gòu)對稱部位簡化為單方向滑移約束支座。池壁采用“自頂向下”法的實(shí)體建模方式,利用ANSYS提供的幾何體原形(BLOCK),通過布爾操作(BOOLEANS)進(jìn)一步修改,得到1/4池壁實(shí)體模型。6.2鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)模型由于池壁內(nèi)鋼筋分布比較密集而又均勻,故選用整體式鋼筋混凝土模型用Solid65單元及Concrete材料。6.3材料本構(gòu)模型本構(gòu)關(guān)系對所選取得鋼筋混凝土模型輸入以下材料參數(shù)數(shù)據(jù):①實(shí)參數(shù)(realconstants)。根據(jù)已完成的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,給定Solid65單元在三維空間各個(gè)方向的鋼筋材料編號、位置、角度和配筋率。②材料模型(MaterialModel)。根據(jù)選用的C30混凝土和HRB300鋼筋,給定其彈性模量、泊松比、密度。③本構(gòu)關(guān)系數(shù)據(jù)表(DataTable)。鋼筋材料選擇雙折線等強(qiáng)硬化模型,給定一個(gè)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的DataTable?；炷敛牧?則選用MKIN模型定義混凝土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的DataTable,利用SOLID65特有的Concreteelementdata定義混凝上的強(qiáng)度準(zhǔn)則。6.4主要矛盾的檢測建立起沉淀池的結(jié)構(gòu)分析模型,有限元網(wǎng)絡(luò)剖分全部使用三角形網(wǎng)格,共剖分4857個(gè)空間塊體單元,1809個(gè)節(jié)點(diǎn)。運(yùn)行計(jì)算,可以得到平流式沉淀池結(jié)構(gòu)分析所需的力學(xué)指標(biāo)如:池壁的變形、池壁的內(nèi)力(彎矩、剪力)、池壁各點(diǎn)應(yīng)力分布等。如圖4為池壁的變形圖,如圖5為池壁各點(diǎn)第一主應(yīng)力分布。從計(jì)算結(jié)果可以看出:利用這種方法可以得到用手工近似計(jì)算無法實(shí)現(xiàn)的分析指標(biāo)數(shù)據(jù);控制點(diǎn)的內(nèi)力計(jì)算數(shù)值與手工近似計(jì)算值接近。計(jì)算的應(yīng)力完全滿足強(qiáng)度要求、變形也在允許范圍內(nèi),說明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析是合理的。本文通過對ANSYS在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)彈塑性分析中的應(yīng)用研究,總結(jié)給出了三維實(shí)體模型的建立的方法,結(jié)合