基于ANSYS的鋼筋混凝土力學分析

2013-08-05 by:廣州Ansys中心來源:仿真在線

基于ANSYS的鋼筋混凝土力學分析

1 引言

由于鋼筋混凝上材料性質復雜,使其表現出明顯的非線性行為。長期以來采用線彈性理論的設計方法來研究鋼筋混凝上結構的應力或內力,顯然不太合理,盡管有此理論是基于人量試驗數據上的經驗公式,還是不能準確反映混凝上的力學性能,特別是受力復雜的重要結構,必須采用三維鋼筋混凝上非線性有限元方法才能很好地掌握其力學性能。利用ANSYS對鋼筋混凝上結構彈塑性的仿真分析,可以對結構自開始受荷載直到破壞的全過程進行分析,獲得不同階段的受力性能。

2 模型的建立

2.1 單元類型的選取

2.1.1 混凝土單元

混凝上選用SOLID65單元。SOLID65單元在普通8節點三維等參元SOLID45單元的基礎上增加了針對混凝上材料參數和整體式鋼筋模型,常被用來模擬鋼筋混凝上和巖石等抗拉能力遠大于抗拉能力的非均勻材料,可以模擬混凝土材料的開裂和壓碎力學行為。
2.1.2 鋼筋單元

可采用桿元來模擬縱筋,一般利用空間單元LINK8單元或空間管單元PIPE20建立鋼筋模型,與混凝上SOLID65單元共用節點。用COMBINE39來模擬鋼筋和混凝上之間的粘結。

2.2 材料本構關系模型

2.2.1 混凝土本構模型

彈塑性本構關系把服而和破壞而分開來處理。根據彈塑性理論建立混凝上的本構關系時,必須對屈服,條件流動法則、硬化法則即塑性模型三要素做出基本假定。ANSYS彈塑性本構關系主要使用Mises屈服準則或Drucker-Prager屈服準則。
2.2.2 混凝土破壞準則

一般強度準則的參數越多,對混凝土強度性能的描述就越準確,多參數模型大多基于強度試驗的統計而進行曲線擬合。ANSYS中的混凝上材料特性用改進的William Wamke五參數破壞破壞準則和拉應力的組合模式,其破壞而子午線和偏平而見相關文獻。

2.2.3 鋼筋本構模型

一般采用雙線形理想彈塑性模型,在ANSYS中,鋼筋可以選擇經典雙線性隨動強化模型(BKIN)和雙線性等向強化模型(BISO)。
2.2.4 本構關系和破壞準則在ANSYS中的實現

在SOLID65單元中實現上式的本構關系需通過定義數據表。對于鋼筋材料,定義一個應力應變關系的數據表;而對于混凝土模型,則要定義兩個數據表,一個是本構關系的數據表,另一個用于定義混凝上的破壞準則。通過混凝上單元材料特性表定義混凝上的裂縫張開剪力傳遞系數閉合剪力傳遞系數、單軸和多軸抗壓強度等9個參數,定義混凝上的W illian Wamke強度準則。

2.3 鋼筋混凝土結構有限元模型的建立

鋼筋混凝上結構的有限元模型可采用分離式、組合式和整體式,各種模式的優缺點見文獻。其中整體式是將鋼筋分布于整個單元中,并把單元視為連續均勻材料,這類模型假定聯結較好,不考慮鋼筋和混凝上之間的滑移,通過鋼筋和混凝上之間公用節點來實現位移協調。

2.4 邊界條件處理

2.4.1 在支座和集中力作用處加剛性墊塊

因為所有載荷都是通過有限人小的壓力面來添加或傳遞到真實部件上去的,所以可在支座和集中力處加以處理使其接近真實的受力狀態,從而消除計算中的應力奇異現象。一般加一個小尺寸的墊塊,可用SOLID45單元來模擬定義剛性墊塊,通過公用節點使剛性墊節點與相應的混凝上節點位移協調。經過ANSYS計算,此方法能有效解決應力集中現象。

2.4.2 將集中力等效為均布力作用在微元上

選擇一些與作用的中心點相鄰近的小單元來共同承受邊界條件,將集中力等效成均布力作用在選定的單元上或鄰近的節點上。這一方法更接近真實的受力情況。

2.5 網格的劃分和求解

模型的分析是非線性靜力分析過程,非線性方程組的求解采用New-Raphson迭代法。ANSYS為非線性分析提供了多種增強收斂的辦法,影響計算結果收斂卞要因素是荷載水平、網格密度、子步數、收斂標準等,可通過一此措施來改進和提高收斂速度與解的精度。

2.5.1 控制網格和單元尺寸

劃分密度適當的網格有助于收斂;在實際應用過程中,應該對單元劃分進行有效控制,當最小單元尺寸大于5cm時,就可以有效避免應力集中帶來的問題。

2.5.2 收斂標準控制

一般位移控制加載最好用位移的co-范數控制收斂,而用力控制加載時可以用殘余力的2-范數控制收斂。在裂紋剛剛出現和接近破壞的階段,可以適當放松收斂標準,保證計算的連續性,誤差控制可以在2%-3%之間,一般不超過5%。

2.5.3 荷載步和了步的設置

NSUBST設置的太大或太小都不能達到正常收斂,必須合理設置子步數并且打開線性搜索、預測等項以加速收斂。荷載步增量對收斂有較人的影響,必須合理設置荷載步以保證結果收斂穩定性和有效逼近問題的真實解。

3 算例

本算例為一鋼筋混凝土簡支梁的開裂問題。混凝采用SOLID65模擬,圖1給出了混凝土簡支梁的有限元模型。圖2給出了混凝土的參數的輸入界面。