ANSYS中简支梁的模拟计算

1、通过大型有限元软件ANSYS对简支梁进行模拟计算下面以钢筋混凝土简支梁的ANSYS程序数值模拟的应用实例，对ANSYS程序的应用方法及模拟效果进行验证，梁的尺寸、配筋及荷载如图5-9所示。钢筋接受级钢，混凝土强度等级为C30。（a）、梁的几何尺寸及荷载示意图RCBEAM-01RCBEAM-02RCBEAM-03（b）、梁断面图图5-9 梁尺寸、配筋及荷载示意图2.1 单元类型（i）混凝土单元：接受ANSYS程序单元库中SOLID65单元。（ii）纵向钢筋：PIPE20 （iii）横向箍筋：PIPE202.2 材料性质（i）、混凝土材料表5-4 混凝土材料的输入参数一览表1619混凝土立方体抗压

2、强度（）弹性模量（）泊松比单轴抗压强度（）单轴抗拉强度（）裂缝间剪力传递系数张开闭合30240000.2025.03.11250.350.75单轴受压应力-应变曲线（曲线）在ANSYS程序分析中，需要给出混凝土单轴受压下的应力应变曲线。在本算例中，混凝土单轴受压下的应力应变接受Sargin和Saenz模型17,18： （5-30）式中取；（ii）、钢材：（a）、本构关系（应力应变曲线）在本算例中，全部钢材，包括梁中纵向主筋、横向箍筋和钢支座垫板均接受抱负弹塑性模型916，其应力-应变曲线见图5-10。表5-5 钢材材性输入参数一览表纵向钢筋横向箍筋钢支座垫板受拉受压泊松比0.250.250.2

3、5（）（）360210210360说 明图5-10 钢材的应力-应变关系（b）、屈服准则和强化准则钢材的屈服准则选用双线性随动强化材料（BKIN）8。在ANSYS程序中，本算例中钢材的需要输入的参数为泊松比、弹性模量和屈服强度，钢材的输入参数见表5-6。2.3 建立模型（a）、单元划分本算例中的钢筋混凝土简支梁外形很规章，因此在ANSYS程序中接受了映射划分，全部实体单元都是正六面体单元。在加载点和支座处均加设40mm厚的钢垫板，以避开消灭局压破坏。另外，在加载点和支座处的网格进行了细分，以考虑应力集中。模型的单元网格图见图5-13。（b）、约束条件图5-11 模型的约束条件依据对称性，可取图

4、5-9中的1/2模型进行有限元分析。相应的在ANSYS程序模型中的约束条件见图5-11。（c）、加载方式在本算例中，接受位移加载，即在加载点垫板中心施加一竖向位移，。在本算例中，没有考虑钢筋混凝土之间的粘结滑移性能，将钢筋与混凝土视为完全固结。FEM模型图和钢筋网格图1,3,5,6见图5-12和图5-13所示。断面图配筋图断面图配筋图断面图配筋图RCBEAM-01RCBEAM-02RCBEAM-03图5-12 各梁FEM模型断面图（a）单元网格图（b）钢筋单元划分图图5-13 算例（一）的FEM模型图2.4 模型求解在ANSYS程序中，对于非线性分析，求解步的设置很关键，对计算是否收敛关系很大

5、，对于混凝土非线性有限元分析，在计算时间容许的状况下，较多的求解子步（Substeps）或较小的荷载步和一个格外大的最大子步数更简洁导致收敛2。在本算例中，设置了100个子步。最终本算例收敛成功，在CPU为P41.6G、内存为256MB的微机上计算，耗时约为8小时。 2.5 计算结果及分析2.5.1 荷载位移曲线图5-14为ANSYS程序所得到的各梁的荷载-跨中挠度曲线，从图中可以看出：（i）、梁RCBEAM-01：曲线外形能基本反映钢筋混凝土适筋梁剪切破坏的受力特点，而且荷载-跨中挠度曲线与钢筋混凝土梁的弯剪破坏形态格外类似，即当跨中弯矩最大截面的纵筋屈服后，由于裂缝的开展，压区混凝土的面积

6、渐渐减小，在荷载几乎不增加的状况下，压区混凝土所受的正应力和剪应力还在不断增加，当应力达到混凝土强度极限时，剪切破坏发生，荷载突然降低。(a) 荷载P-跨中挠度曲线(a) 弯矩M-跨中挠度曲线图5-14（a） 荷载跨中挠度曲线（RCBEAM-01）（ii）、梁RCBEAM-02：荷载-跨中挠度曲线与超筋梁的试验荷载-跨中挠度曲线很相像，在荷载达到极限状况下，没有消灭屈服平台，而是突然跌落。极限弯矩值相对梁RCBEAM-01增加约30%，与受拉区配筋率的增加量（100%）相比要低，表明受拉区所增加的钢筋没有完全发挥作用，与超筋梁类似。(a) 荷载P-跨中挠度曲线(a) 弯矩M-跨中挠度曲线图5-

7、14（b） 荷载跨中挠度曲线（RCBEAM-02）（iii）、梁RCBEAM-03：荷载-跨中挠度曲线外形介于适筋梁与超筋梁的试验曲线之间，随着挠度的增加，荷载几乎成线性地增长，在荷载达到极限状况下，曲线消灭一个较短的屈服平台，随后消灭突然跌落状况。由于受拉区配筋量的加倍，极限弯矩值增加较大，相当于梁RCBEAM-01的两倍，表明受拉区所增加钢筋发挥了完全作用。(a) 荷载P-跨中挠度曲线(a) 弯矩M-跨中挠度曲线图5-14（c） 荷载跨中挠度曲线（RCBEAM-03）表5-6 计算结果与理论值比较计算项目RCBEAM-01RCBEAM-02RCBEAM-03理论计算结果ANSYS计算结果理

8、论计算结果ANSYS计算结果理论计算结果ANSYS计算结果极限弯矩（）65.6667.7865.66123.12084.79123.120122.06（）9.3108.1829.31015.6359.79115.63514.796（kN）148.9*112.83148.9*141.317148.9*203.433破坏类型受拉区单侧配筋适筋梁破坏形态受拉区单侧配筋超筋梁破坏形态拉压区双侧配筋适筋梁破坏形态说 明表中带“*”抗剪承载力没有考虑纵向钢筋的梢栓作用表5-6为理论计算结果与ANSYS程序计算结果的对比，从表5-6中可以看出，（1）、ANSYS程序计算的跨中最大弯矩值与理论计算值比较接近，

9、RCBEAM-01和RCBEAM-02最大剪力比梁的斜截面抗剪力量低，即纵筋屈服打算梁的承载力量，压区混凝土的剪断打算梁的最大变形力量，梁的强度仍旧由跨中垂直截面弯曲强度打算；而RCBEAM-03的最大剪力比梁的斜截面抗剪力量要大，所以，梁的极限承载力量由梁的斜截面抗剪力量打算，但从表中也可以看出，极限状态下的最大弯矩计算值与理论计算值比较接近，表明梁ANSYS程序计算的抗剪力量值为203.433 kN，比理论计算的148.9 kN值高，这可能是由于纵筋的梢栓作用比较突出。从表5-6还可以看出，在纵筋屈服时刻，ANSYS程序计算的梁跨中最大挠度值比理论计算值略小，缘由可能是由于没有考虑钢筋-混凝土之间的粘结滑移，而使整个梁的整体刚度有所增加。2.5.2 混凝土应力-应变本构关