钢筋混凝土结构开裂计算方案

钢筋混凝土结构开裂计算方案1．概述开裂计算是工程中比较关心的问题，但一直是有限元分析的一个难点，涉及到材料本构、计算收敛性等诸多问题。ANSYS＋CivilFEM提供了钢筋混凝土结构开裂计算功能，其中土木专用模块CivilFEM提供的非线性混凝土计算适用于混凝土梁结构的非线性计算（包括开裂），可以直接通过截面定义钢筋，从而模拟钢筋混凝土梁。但对于更一般的结构，用梁单元来模拟不一定合适，需要采用更一般的单元，ANSYS提供了专用的钢筋混凝土实体单元SOLID65来模拟钢筋混凝土结构，该单元材料采用混凝土材料模型，可定义混凝土的开裂、压碎准则。另外可以定义钢筋方向和体积率，可用来模拟钢筋混凝土的破坏。本文将通过算例对ANSYS＋CivilFEM开裂计算的效果进行探讨，并针对一些计算难点提出初步的解决方案。2．CivilFEM开裂计算CivilFEM适合于梁结构开裂分析，另外为了与后面SOLID65单元开裂计算结果进行比较，先探讨了CivilFEM的开裂计算。CivilFEM开裂计算需要考虑的要点：1、激活CivilFEM非线性模块（~CFACTIV,NLC,Y），这是CivilFEM非线性计算的前提。2、即使事实上为小变形，也必须打开几何非线性效应（NLGEOM,ON），否则无法激活非线性迭代。3、通常应该关闭求解控制（SOLCONTROL,OFF），由于CivilFEM非线性计算通过修改实常数的等效方法，自动求解控制反而可能导致发散。4、在收敛不好的情况下，可以增加子步数、打开自动步长（AUTOTS,ON）或可以给定一个比较大的迭代数（NEQIT,NUM）,以改善收敛，线性搜索有时也可以改善收敛（LNSRCH,ON）。5、有些情况下上述调整可能仍然无法保证收敛，这通常发生在一些开裂、受压区状态转换的临界点，尤其在动力分析中更易出现，可以结合两个办法克服，一是放松收敛准则（CNVTOL），开裂分析状态变化剧烈，往往是接近收敛但出现振荡，放松收敛可以保证在较松的准则下收敛，但可得到足以满足要求的结果。另一个方法是在未收敛情况下仍然继续下一步计算（NCNV,0）。不收敛往往发生在一些临界点，该命令可以保证跳过这些点，而后续载荷步往往可以迅速收敛，只要结构事实上具有平衡状态，没有失效，则这种处理不会影响到总体结果，后面的动力分析实例也可说明这一点。以悬臂梁为例，该悬臂梁长10m，截面如图1所示，尺寸为0.6m×0.5m，钢筋直径20mm，混凝土保护层厚40mm。混凝土参数（国际单位制）：弹模E=28.848E9,泊松比=0.2,密度D=2600，钢筋参数：E=200E9,=0.3,D=7800。2.1．CivilFEM开裂静力分析图1截面计算采用的命令流为文件crack_static_cv.txt。图2为CivilFEM定义的截面，计算采用梁单元beam54（在CivilFEM中beam54、beam44梁单元可以进行非线性计算），CivilFEM在定义梁单元截面后自动计算beam54单元的实常数，无需用户输入。图3为实际形状显示的悬臂梁模型。图1截面图2截面定义图3有限元模型图2截面定义图3有限元模型旗画放梁一端固支，般一端施李加追Y疑向力，考虑毯图填4墙所示可变载荷捕，最大速为译1500劳N剃，最小无为句-1500输N服，计算变化载达荷作用下梁的织开裂，以验废证屯CivilF耕E池M烘开裂计算可以耗考虑这种交变氏载荷情况。寺催奏计算没有考虑正混凝土抗拉强报度，并进行静盛力分析。图4可变载荷脏懒昼图欺5谢为载荷达眼到灵1500誉N运时固端截面混贯凝土部分的正拆应力，红色区境域即为开裂区麻。砌图菊6自为相应的钢筋绝正应力。混凝怪土不抗拉，受予压区混凝土最动大压应力草为咳-0.74M狭P躁a母，受压钢筋应锣力照为以-3.60M腾P每a摧，受拉钢筋应摊力副为竞15.27M壳P膜a刃，策药拉裂区应力全送部由钢筋承担杠。图4可变载荷图6固端钢筋正应力（载荷：1500N）图5固端混凝土正应力（载荷：1500N）图6固端钢筋正应力（载荷：1500N）图5固端混凝土正应力（载荷：1500N）那们宝图像7闷为载荷达鼓到炼-1500挖N矿时固端截面混牛凝土部分的正伞应力，维图辫8乏为相应的钢筋胃正应力。受压洽区混凝土最大惑压应力墙为绩-0.81M两P搬a呜，受压钢筋应片力面为出-3.41M剥P炎a算，受拉钢筋应节力训为惩22.40M以P冷a胖，物拘拉裂区应力全料部村由全钢筋承担。图8固端钢筋正应力（载荷：-1500N）图7固端混凝土正应力（载荷：-1500N）图8固端钢筋正应力（载荷：-1500N）图7固端混凝土正应力（载荷：-1500N）声肿陡从计算结果来剂看，载荷徐为堪1500森N腹时，梁下部拉庭裂，载荷亲为拖-1500嫂N出时，梁上部拉挖裂，由于上部估配筋数少于下鉴部，所以上部液拉裂时的下部梳混凝土压力要美大于下部拉裂帽时上部混凝土步压力。且开裂池后混凝土仍然杏具有抗压能力锄。这说勉明别CivilF铺E蔽M炊开裂计算可以治考虑交变载荷浸作用。背搏军图僻9絮为载利荷奶1500N脂升时开裂计算得西到急的韵Y匠向位移图，梁歇端最大里为阿0.0063挠m五，戴图棵1惯0奥为不考虑开裂束的馒Y逝向位移图，梁逮端盯为潜0.0017闲m懒（不考虑开裂耀的命令流为畅static猾_cv.tx防t认），可以看到槽开裂使得位移氏增加了很多。图10不考虑开裂位移（载荷：1500N）图9考虑开裂位移（载荷：1500N）图10不考虑开裂位移（载荷：1500N）图9考虑开裂位移（载荷：1500N）错2.普2牵．低CivilF蚀EM蜻开裂贷动力分析熊感谦计算采用的命馒令流为文件示crack_闯dynami晚c_cv.t淡xt棍，悬臂梁载荷鸣为匪图秘1愚1撞所示的地基加误速度历程，计稿算时间慧为塔1且秒。次钟著图促12屠斥为在这个动力格载荷作用下梁院端点樱的秆Y量向位移历程，凯图星1赞3替为同一模型不览考虑开裂情况想下梁端点我的肯Y受向位移历程（粘不考虑开裂的秤命令流为静dynami蹈c_cv.t摇xt浮）。图11加速度历程争阁剂计算结果非常剥合理，开裂后覆不仅位移大幅驻增加，而且由弟于刚度变小，团导致结构的振挣动周期延长。图11加速度历程图13梁端位移历程（不考虑开裂）图12梁端位移历程（考虑开裂）图13梁端位移历程（不考虑开裂）图12梁端位移历程（考虑开裂）伪3坑．实体单范元蓝SOLID6瓜5艺开裂计算爬夕着对于不适于用煤梁单元模拟的链实体或其它钢名筋混凝土结构侍，需要采腾用夏ANSY深S夹的钢筋混凝土贷单肃元英SOLID6倒5狠来模拟雀，丧SOLID6尿5茫单元可以定义垂开裂、压碎强蛛度，也可以定鉴义分布钢筋，释但分布钢筋由打于将钢筋均质丽化证于织单元内，不足录以反映实际情译况，可以用梁明单元或杆单元漠来模拟离散钢缘筋，用约束方这程宏（糕CEINT梅F服）来建立钢筋雨节点与混凝土龟单元的位移协智调关系。本例柴采外用宿BEAM18倒8柴来模拟钢筋。玻SO喇LID6冤5状单元开裂计算陪需要考虑的要矛点：键Ci喊vilFE洪M魄中考虑的一些魄事项仍然适用溜：动允1洪、关闭求解控跃制乘（绪SOLCON尚TROL,O蓬F稻F帖），根据测试闯结果，由于刚据度变化剧烈，土自动求解控制颠情况下，收敛昌参数不易操纵严，有时更易导灵致发散。度拐2估、在收敛不好该的情况下，可烟以增加子步数架、打开自动步扶长帽（欢AUTOTS弓,O容N究）或可以给定酬一个比较大的雨迭代数颜（重NEQIT,浅NU袋M灭）障,剧以改善收敛，天线性搜索有时落也可以改善收呜敛详（蓬LNSRCH由,O兆N织）。婆衫3肥、放松收敛准购则娇（瓶CNVTO训L棋），以及在未苗收敛情况下仍蕉然继续下一步挨计算凝（嗓NCNV,无0梨），这两个方帖法非常有效而段且可以得到可锐信的结果，具富体讨论见嫌第丘2尺节。于运总此外镇，脏SOLID6歌5从本身有一些参雹数可以增强收宝敛：钉封4授、指定极小的怜分布钢筋体积裕率（通过单元胸实常数），比啊如灌1e-监6蜂，这不会影响企计算结果，但焦可以使得开裂秘后单元具有一剑个小刚度，不柿致奇异，从而翻增强收敛。蜂筛5汗、开裂单元指炎定适当的剪力碑传递系数（通腿过混凝土材料最），一般张开午裂陪纹纸0.鸟1遮，闭合裂廉纹碑1.丈0挥，可以极大驾地削提高收敛性。沾前6务、指定开裂起匠始刚度松弛因纪子叶为烂1.伐0案（通过混凝土铁材料），并州设亏SOLID6殿5雄单元棕的制KEYOPT蝴(7)=趋1慢，可以使得开艘裂后刚度逐渐悠减小拴至丝0蹈，增强收敛。拴如7有、给混凝土指啄定合理的抗拉只强度（通过混厌凝土材料），当可以极大地提陆高收敛性。芳池8填、为了得到一弱个好的结果，河在结构主要受纵弯厚度方向单吃元不要太少，前不要少静于否4脉层牵，密8稀层以上比较好拐（如本例戚为洲8区层）。钢残跟用垄SOLID6校5李模拟混凝土吧，掀BEAM18锋8循单元模拟钢筋学，混凝土给定午抗拉强原度鼠0.1MP淹a铅，对前述算例穴进行开裂分析暗，并进行比较啄。芹3.潜1捏．末SOLID6沾5填开裂沟静力分析滔贩寿计算采用的命烂令流为文件膝crack_统static灾_悟65娇.txt堂，拳图述1揉4猜为计算模型，筐钢筋节点与混晴凝土节点之间详建立位移约束杰方程，梁端部拌建立刚性区来妹施加载荷。蚁图煤1冷5盼为钢筋煤分布句图，混凝土采爬用透明来直观损显示结构。图14计算模型图15钢筋分布图14计算模型图15钢筋分布级渠描图展1裂6租为载荷达号到岂1500毯N底时混凝土梁轴瓦向正应力，固播端红色区域中芳除了小部分为袜小于抗拉强度兔的受拉区外，材大部分为开裂译区。画图著1派7右为相应的钢筋踪正应力。受压阿区混凝土最大钞压应力筹为博-0.78M争P词a艇，受压钢筋应温力奖为促-3.60M亩P落a黑，受拉钢筋应哀力芒为闪15.7MP嚷a榴，役垂拉裂区应力全厌部由堡钢筋承担。与这前赶面怖CivilF输E询M扔的计算结果比归较可以看出，绕二者是非常接预近的，虽然本陵例中混凝土指栋定千了伸0.1MP锈a搅的抗拉强度，厨但由于抗拉强首度很小，所以斩计算结果变化庭不大，但抗拉谱强度的存在却拒可以大大提奉高哀SOLID6站5洽的收敛性剩而且更接近实尾际依。图17钢筋轴向应力（载荷：1500N）图16混凝土轴向应力（载荷：1500N）图17钢筋轴向应力（载荷：1500N）图16混凝土轴向应力（载荷：1500N）伶桃薪图妥1藏8勾为载荷达诉到狱-1500轨N庙时混凝土梁轴寄向正应力，骄图锅1扯9糖为相应的钢筋耕正应力。受压抄区混凝土最大谊压应力云为刑-0.89M牵P苗a陡，受压钢筋应轨力场为粮-3.62M铺P悟a花，受拉钢筋应毫力评为壮23.4MP急a最，培羞拉裂区应力梢由老钢筋承担。计困算结果同样围与斤CivilF庆E夜M验非常接近。图19钢筋轴向应力（载荷：-1500N）图18混凝土轴向应力（载荷：-1500N）图19钢筋轴向应力（载荷：-1500N）图18混凝土轴向应力（载荷：-1500N）王轰缎图亦2酬0筛为载忽荷束1500N芽术时开裂计算得糊到合的蓝Y嘉向位移图，梁寄端最大呢为笛0.0062殊m滤，弦图霉2辫1盼为不考虑开裂扇的西Y缝向位移图，梁耽端坊为稳0.0017铲m示（芒将抗拉强度设巧置为无穷大即倒可不考虑开裂惑），碗结果压与肺CivilF肯E蒜M饿相同，愁开裂使得位移歼增加了很多。图21不考虑开裂Y向位移（载荷：1500N）图20考虑开裂Y向位移（载荷：1500N）图21不考虑开裂Y向位移（载荷：1500N）图20考虑开裂Y向位移（载荷：1500N）搭SOL曾ID6黄5贴单元可以绘图警表示开裂区，任图漠22绪、跳23发为载搜荷剥1500N隆和墨-1500N远豪时开裂吼区裂分布需。富加载过程中开咏裂区域的扩展沾过程焰见动使画蛙crack_灭static邻.av接i熊。图22开裂区域（载荷：1500N）图23开裂区域（载荷：-1500N）图22开裂区域（载荷：1500N）图23开裂区域（载荷：-1500N）久3.遵2地．集SOLID6题5仅开裂动力分析必雁闭对曲第村2.业2胞节同样的问题写用搞SOLID6闭5阻和镜BEAM18冶8分单元进行动力抬分析，计算采顺用的命令流为律文件嗽crack_燥dynami歌c_庭65胶.txt着。。肤独圈图皮24载伴为在动力载荷侍作用下梁端一访点植的谋Y连向位移历程，拨图削2颗5灶为同一模型不诸考虑开裂情况半下梁端一点鼠的拔Y站向位移历程（于将抗拉强度设堆置为无穷大即奉可不考虑开裂电）。榆颗忍计算结果啊与前玻面施CivilF樱E善M番结果很接近，痰只是由于考虑粘了抗拉强度挣，所以开裂后漆的峰值位移要撇稍小一些烧。图25梁端一点位移历程