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有限元模型梁一端固支，一端施加Y向力，考虑图4所示可变载荷，最大为1500N，最小为-1500N，计算变化载荷作用下梁的开裂，以验证CivilFEM开裂计算可以考虑这种交变载荷情况。计算没有考虑混凝土抗拉强度，并进行静力分析。图4可变载荷图5为载荷达到1500N时固端截面混凝土部分的正应力，红色区域即为开裂区。图6为相应的钢筋正应力。混凝土不抗拉，受压区混凝土最大压应力为-0.74MPa，受压钢筋应力为-3.60MPa，受拉钢筋应力为15.27MPa，拉裂区应力全部由钢筋承担。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）巩劳辰图灶7票为载荷达蜘到棚-150代0端N翼时固端截烘面混凝土湾部分的正购应力，敏图瑞8震为相应的列钢筋正应无力。受压幅区混凝土很最大压应惑力希为反-0.8欣1MP竿a靠，受压钢拆筋应力冠为春-3.4动1MP寻a归，受拉钢缸筋应力禾为沾22.4鉴0MP临a纲，快质拉裂区应途力全部由招钢筋承担宝。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）臭诵颠从计算结饲果来看，巡载荷漂为份1500光N答时，梁下至部拉裂，坛载荷佣为净-150婚0态N关时，梁上观部拉裂，艰由于上部涂配筋数少衔于下部，勒所以上部丰拉裂时的将下部混凝旬土压力要希大于下部逝拉裂时上扣部混凝土觉压力。且吸开裂后混驱凝土仍然蹦具有抗压袭能力。这暂说纱明严Civi浅lFE自M胸开裂计算致可以考虑顽交变载荷舰作用。话冬粪图欠9用为载晶荷废1500疯N握庭时开裂计吃算得到辛的废Y糊向位移图妇，梁端最暖大乖为羊0.00往63与m香，肆图卸1炸0墙为不考虑览开裂队的辨Y限向位移图行，梁端摘为滚0.00驼17违m偏（不考虑辽开裂的命练令流为轮stat朗ic_c既v.tx惑t堆），可以浪看到开裂夸使得位移逝增加了很泊多。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）钩2.蹦2摩．仁Civi艺lFE伸M唱开裂动力圆分析凭伴真计算采用嫁的命令流备为文件京crac谋k_dy网nami程c_cv密.txt摧，悬臂梁勇载荷为辩图咽1创1棒所示的地安基加速度赔历程，计粉算时间今为修1肉秒。孔烤脏图叙12勇暑为在这个扇动力载荷池作用下梁删端点古的称Y般向位移历笋程，其图慰1睡3立为同一模椒型不考虑呀开裂情况思下梁端点麦的嫌Y择向位移历伍程（不考式虑开裂的补命令流为催dyna织mic_昏cv.t戚xt蒙）。图11加速度历程烟涝拆计算结果凤非常合理贴，开裂后际不仅位移侍大幅增加秃，而且由轰于刚度变座小，导致惹结构的振报动周期延泥长。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）录3施．实体单消元刮SOLI泰D6岛5晨开裂计算战末游对于不适孩于用梁单腊元模拟的辟实体或其满它钢筋混护凝土结构句，需要采丰用嫌ANSY喘S劈的钢筋混晴凝土单封元渗SOLI运D6啊5方来模拟颗，强SOLI子D6索5挑单元可以品定义开裂却、压碎强必度，也可填以定义分兴布钢筋，芦但分布钢兔筋由于将咬钢筋均质躬化于单元衫内，不足牢以反映实捐际情况，过可以用梁厅单元或杆党单元来模笑拟离散钢谋筋，用约团束方程战（钉CEIN遇T嫂F描）来建立逆钢筋节点秧与混凝土旋单元的位斥移协调关趁系。本例观采孤用辈BEAM绪18症8膛来模拟钢耻筋。询颈SOLI屋D6榆5依单元开裂偶计算需要喉考虑的要版点：骆港Civi迟lFE茶M袍中考虑的虏一些事项垂仍然适用南：芬茎1刑、关闭求盼解控制说（阀SOLC铅ONTR貌OL,O卷F羽F题），根据膛测试结果在，由于刚季度变化剧换烈，自动循求解控制按情况下，顺收敛参数页不易操纵命，有时更傅易导致发蹲散。苍铲2童、在收敛塞不好的情光况下，可淋以增加子封步数、打文开自动步扮长链（株AUTO猛TS,O上N光）或可以燃给定一个舞比较大的燕迭代数膊（故NEQI庸T,NU善M厕）巧,裳以改善收畜敛，线性尚搜索有时姻也可以改经善收敛弯（侧LNSR验CH,O阴N欧）。厘传3睬、放松收称敛准则透（坊CNVT安O成L误），以及热在未收敛殊情况下仍舌然继续下访一步计算捆（勤NCNV像,反0钥），这两卫个方法非井常有效而肿且可以得敲到可信的巩结果，具柄体讨论见羊第省2塔节。哄肚佛此外书，圣SOLI贤D6斥5粘本身有一运些参数可程以增强收爆敛：颜桐4捕、指定极搬小的分布扁钢筋体积手率（通过哲单元实常辛数），比坡如屋1e-逗6旷，这不会蚂影响计算咐结果，但榨可以使得恨开裂后单吴元具有一赢个小刚度托，不致奇轿异，从而警增强收敛絮。瞎平5使、开裂单材元指定适扔当的剪力穿传递系数娃（通过混猜凝土材料寺），一般稠张开裂膜纹狮0.清1染，闭合裂樱纹梁1.锄0扶，可以极兔大地提高点收敛性。额屯6脱、指定开紧裂起始刚驾度松弛因睁子表为懂1.值0斧（通过混速凝土材料重），并问设截SOLI纤D6养5锡单元愈的辅KEYO泡PT(7亮)=旧1董，可以使稀得开裂后治刚度逐渐宽减小护至惕0壁，增强收喇敛。迈杯7同、给混凝螺土指定合离理的抗拉贱强度（通爷过混凝土颂材料），重可以极大咬地提高收驴敛性。淡只8筒、为了得苏到一个好度的结果，绍在结构主义要受弯厚交度方向单捐元不要太骨少，不要跟少欠于伟4枕层尤，嫂8杆层以上比闯较好（如疫本例镰为诸8屠层）。千圆位用筑SOLI菊D6戚5惧模拟混凝阴土音，晶BEAM镜18醋8舱单元模拟挪钢筋，混伐凝土给定贝抗拉强赚度耕0.1M气P崭a佣，对前述寿算例进行舞开裂分析级，并进行必比较。计3.姿1榴．览SOLI驰D6尝5燥开裂静力斗分析透备疾计算采用刑的命令流胡为文件昂crac顽k_st售atic弄_阴65抽.txt蜜，评图为1贫4末为计算模互型，钢筋耀节点与混病凝土节点手之间建立花位移约束增方程，梁手端部建立袋刚性区来义施加载荷杜。斯图燥1列5额为钢筋分镜布图，混顾凝土采用确透明来直贺观显示结久构。图14计算模型图15钢筋分布图14计算模型图15钢筋分布晶爹快图柱1宾6退为载荷达窗到舌1500诵N储时混凝土攀梁轴向正与应力，固甲端红色区井域中除了压小部分为档小于抗拉膏强度的受援拉区外，势大部分为锋开裂区。具图赔1俗7灶为相应的阵钢筋正应牵力。受压趁区混凝土僚最大压应卧力而为悔-0.7偏8MP问a更，受压钢燃筋应力雄为有-3.6踩0MP主a芳，受拉钢织筋应力萄为银15.7列MP预a草，赌茧拉裂区应帮力全部由骗钢筋承担尊。与前茎面拳Civi旦lFE新M葬的计算结房果比较可刷以看出，定二者是非维常接近的葛，虽然本岛例中混凝隔土指定低了影0.1M恳P枯a稠的抗拉强哄度，但由匪于抗拉强驼度很小，绸所以计算它结果变化慰不大，但鼠抗拉强度员的存在却晋可以大大榨提跃高积SOLI芳D6扁5戏的收敛性汤而且更接庙近实际。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）茄阅折图傅1疼8闭为载荷达晕到惧-150淋0松N躬时混凝土石梁轴向正豆应力，册图刻1撇9梢为相应的千钢筋正应睬力。受压攀区混凝土族最大压应黑力扮为叫-0.8汗9MP校a割，受压钢脸筋应力庆为丢-3.6靠2MP悄a屋，受拉钢扎筋应力择为谨23.4舰MP构a碧，座备拉裂区应告力由钢筋枪承担。计授算结果同胞样勉与梯Civi娱lFE锹M塑非常接近害。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）红李扶图龄2妇0悼为载地荷你1500观N许宅时开裂计朵算得到誉的针Y陆向位移图削，梁端最捐大雷为秆0.00趟62涌m场，妹图沸2射1冈为不考虑趴开裂雁的杆Y很向位移图甜，梁端部为溜0.00斑17废m哀（将抗拉测强度设置残为无穷大居即可不考拘虑开裂）民，结果湾与阳Civi偶lFE须M游相同，开潮裂使得位粗移增加了绍很多。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）嗽S设OLID她6惯5滑单元可以脚绘图表示朗开裂区，潮图忌2施2荡、猎2蓄3早为载找荷双1500触N姨和瞒-150自0N庆可时开裂区究分布。丛加载过程批中开裂区瘦域的扩展皂过程见动瓶画闪crac划k_st盾atic负.av商i衬。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）糟3.悟2乖．驼SOLI贩D6导5远开裂动力连分析暴漂屿对冬第酱2.威2冬节同样的津问题燃用百SOLI愤D6糕5您和山BEAM勇18孔8丰单元进行因动力分析膨，计算采拳用的命令量流为文件黎crac央k_dy协nami漠c_印65蝴.txt慰。。羽俩龄图茶24预束为在动力柴载荷作用乳下梁端一昨点妈的排Y想向位移历危程，六图搂2宇5馒为同一模常型不考虑稠开裂情况肌下梁端一躬点易的搜Y腰向位移历竹程（将抗姻拉强度设萍置为无穷柳大即可不宅考虑开裂隆）。况串袜计算结果昂与前岩面两Civi袍lFE塞M耍结果很接南近，只是疯由于考虑枯了抗拉强见度，所以上开裂后的团峰值位移燃要稍小一蛛些。图25梁端一点位移历程（不考虑开裂）图24梁