ANSYS钢筋混凝土简支梁的非线性分析.doc

广西大学土木建筑工程学院硕士研究生课程论文（报告）课 程 结 构 非 线 性 任课教师 谢 肖 礼 专业、年级 结构工程（06级） 研 究 生 李 大 超 钢筋混凝土简支梁的非线性分析摘要 ：钢筋混凝土有限元模型根据钢筋的处理方式主要分为三种，即分离式、分布式和组合式模型。裂缝的处理方式有离散裂缝模型、分布裂缝模型和断裂力学模型，后者目前尚处研究之中，主要应用的是前两种。离散裂缝模型和分布裂缝模型各有特点，可根据不同的分析目的选择使用。随着计算速度和网格自动划分的快速实现，离散裂缝模型又有被推广使用的趋势。 本论文采用大型通用有限元软件ANSYS，考虑混凝土的双重非线形，可以考虑分离式模型(solid65+link8，认为混凝土和钢筋粘结很好)。 关键词：钢筋 混凝土 裂缝 ANSYS 有限元混凝土与钢筋本构关系的确定 混凝土的本构关系：可以分为线弹性、非线性弹性、弹塑性及其它力学理论等四类，其中研究最多的是非线性弹性和弹塑性本构关系。混凝土的本构关系就是表示在外荷载作用下的混凝土应力应变的响应关系。混凝土破坏准则从单参数到五参数模型达数十个模型，或借用古典强度理论或基于试验结果等，各个破坏准则的表达方式和繁简程度各异，适用范围和计算精度差别也比较大，给使用带来了一定的困难。在ANSYS里用solid65单元模拟。 钢筋的本构关系：采用双线形随动强化模型模拟。 在ANSYS里可以用 link8单元模拟钢筋的受力。1混凝土单元（solid65）说明： ANSYS中专门用于混凝土结构而开发的单元solid65，可以考虑混凝土的压碎和开裂。Solid65单元为八节点六面体单元。在实际应用中要为solid65提供以下数据： 1、材料模型Material model：设定混凝土与钢筋的弹性模量、泊松比、密度。2、实参数real constants：在实参数中给定solid65单元在三维空间各个方向的钢筋材料编号、位置、角度和配筋率。对于墙、板等钢筋分布比较密集而又均匀的构件形式，一般使用这种整体式混凝土模型。 3、数据表：在这里给定钢筋混凝土本构关系：对于钢筋材料，一般需要给定一个应力应变关系的Data Table，譬如双折线等强硬化或随动硬化模型等。而对于混凝土模型，则需要两个Data Table。一个是本构关系的Data Table，比如使用Multilinear kinematic hardening plasticity（MKIN）模型或者Drucker Prager plasticity模型等，用来定义混凝土的应力应变关系。另一个是solid65特有的Concrete element data,用于定义混凝土的强度准则。 2. LINK8单元说明：LINK8单元是有着广泛的工程应用杆单元，比如可以用来模拟：桁架、缆索、连杆、弹簧等等。这种三维杆单元是杆轴方向的拉压单元，每个节点具有三个自由度：沿节点坐标系X、Y、Z方向的平动。就像在铰接结构中的表现一样，本单元不承受弯矩。本单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力刚化、大变形、大应变等功能。LINK10是一三维仅受拉或仅受压杆单元。问题的描述钢筋混凝土梁，横截面尺寸为bXh200mmX400mm，梁的跨度为L3.0m，支座宽度取为100mm。梁内受拉纵筋320，架立筋采用212，箍筋采用8150，钢筋保护层厚度为25mm。对于梁中所采用的钢筋，弹性模量为，抗拉强度设计值为210MPa，泊松比为0.3。为避免产生应力集中，支座材料采用弹性模量为的刚性支座。混凝土的弹性模量为，轴心抗拉强度设计值为1.5MPa。相对于峰值压应力的应变以及极限压应变分别为0.002和0.0033。图1 钢筋、混凝土各参数定义图2 钢筋本构关系图3 混凝土本构关系（1）模型介绍有限元模型钢筋模型（2）裂缝开裂过程（3）开裂前后混凝土应力变化过程从弹性到极限状态钢筋应力变化过程结论由钢筋混凝土梁正截面受弯破坏理论可知，钢筋混凝土受弯构件的破坏有两种情况：一种是由弯矩引起的，破坏截面与构件的纵轴线垂直，称为沿正截面受弯破坏；另一种是由弯矩及剪力共同引起的，破坏截面是倾斜的，称为沿斜截面受剪破坏。混凝土梁底应力变化图纵筋应力变化图 受弯构件自加载至破坏过程中，随着荷载的增加及混凝土塑性变形的发展，对于正常配筋的梁，其正截面上的应力及其分布和应变发展过程可分为三个阶段。第一阶段构件未开裂，弹性工作阶段。构件开始承受荷载时，正截面上各点的应力及应变均很小，二者成比例关系，混凝土基本上处于弹性工作阶段，钢筋和混凝土共同作用。由混凝土应力云图可以看出受拉区混凝土没有超出其极限拉应力。由钢筋与混凝土应力比值也可以看出钢筋和混凝土处于共同工作状态。随着荷载的继续增大，受拉边缘处混凝土表现处塑性性质，应变增长加速，达到极限拉应力，由图梁底节点应力时程变化曲线可以看出，混凝土在开裂前应力不断增长，即将达到1.5MPa。第二阶段带裂缝工作阶段随着荷载的继续增加，混凝土拉应力超过其抗拉极限强度，构件开裂。梁开裂后，受拉区混凝土上移，由混凝土云图可以看出。钢筋应力变化时程曲线也可以