基于ansys的钢筋混凝土结构有限元分析

基于ansys的钢筋混凝土结构有限元分析

1anasas结构分析步骤aniss辅助分析软件具有极其强大的预处理、计算和分析能力。它可以模拟各种物理场之间的集成效应，如结构。“整个过程的模拟”和“整个过程的分析”可以实现。但ANSYS中提供的材料模型大多数为基于经典材料力学理论的均质材料模型,与混凝土的本构关系有很大区别。借助ANSYS对钢筋混凝土这种复杂材料的结构进行分析时,需要针对分析对象的结构层次、分析类型、荷载水平等合理采取单元类型和材料模型,才能够取得满意的分析结果。结构分析的主要步骤为:①建立结构模型。定义单元类型、赋予单元实常数构成结构几何体;定义几何体材料属性从而构成结构模型;对结构模型进行划分网格。②施加载荷和边界条件。根据工程具体分析要求,等效简化边界约束,布置承受荷载。③校验、求解。运行过程中通过参数效验、检查模型建立的准确性,及时进行修正。④评价和分析结果。运行结果可以通过控制输出模式,根据需要得到各种有关的力学性能参数,以表格、图形、动画等各种形式表现输出,对计算结果进行分析评价。2单元类型的选取通常钢筋混凝土结构有限元分析单元分为两个层次:杆系单元和实体单元。前者着重分析单元力(包括力和弯矩)与位移(包括位移和转角)之间的关系,而后者着重分析单元的应力—应变关系。单元类型的选取应兼顾计算规模、材料模型的精度等多方面的因素。对于全结构规模较大,可将结构离散成杆系单元进行分析。对于复杂区域(梁柱节点)或重要的构件等可将杆系结构体系计算的力和位移施加到实体单元模型上,分析局部应力和应变。在结构分析中应尽可能多地采用三维实体单元模型,力求最大程度的真实模拟实际结构构件。3土体结构模型钢筋混凝土结构不同于一般均质材料,它是由钢筋和混凝土两种材料构成的,一般钢筋是被包围在混凝土之中,而且相对体积较少,因此建立结构有限元模型需考虑这些特性。构成钢筋混凝土结构的有限元模型主要有以下三类:3.1形单元处理模型分离式模型把混凝土和钢筋作为不同的单元来处理,即混凝土和钢筋各自被划分为足够小的单元。考虑到钢筋是一种细长材料,通常可忽略其横向抗剪强度。这样,可以将钢筋作为线形单元处理(如ANSYS中的link8单元)。混凝土可采用四面体单元等实体单元(如ANSYS中的solid65单元)。在该模型中,钢筋和混凝土之间可以插入联结单元来模拟钢筋和混凝土之间的粘结和滑移,若钢筋和混凝土之间的粘结很好,不会有相对滑移,则可视为刚性联结,可以不考虑联结单元问题。众所周知,钢筋混凝土是存在裂缝的(否则钢筋难以发挥作用),而开裂必然导致钢筋和混凝土变形不协调,也就是说必然存在粘结失效和滑移的产生,因此这种模型被广泛的应用。单元刚度矩阵的推导与一般有限元相同。3.2混凝土与钢筋粘结组合式模型是假设钢筋以一个确定的角度分布在整个单元中,并假设混凝土与钢筋之间存在着良好的粘结,认为两者之间无滑移。又分为分层组合方式和带钢筋膜的方式等。该单元刚度矩阵推导时分别求出各自的单元刚度,然后组合起来。3.3单元刚度矩阵整体式模型是假设钢筋分布于整个单元中,并把单元视为连续均匀材料(如ANSYS中的四面体等实体单元-solid65单元选择混凝土材料时),采用混凝土-钢筋复合的本构关系,把混凝土、钢筋二者的贡献组合起来,一次求得综合的单元刚度矩阵。后两种模型共同点是它们的单元刚度矩阵都是反映钢筋混凝土的综合刚度。4结构裂缝处理混凝土最重要的特征之一是其抗拉强度很低,在很多情况下混凝土结构是带缝工作的。裂缝引起周围应力的突然变化和刚度降低。裂缝处理的适当与否是能否正确地分析钢筋混凝土结构的关键问题。同时,也是较难处理的复杂问题。目前,处理裂缝的方法有3种。4.1模拟和描述裂缝在单元和单元之间的边界也称单元边界的单独裂缝模型,即将裂缝处理为单元边界,一旦混凝土开裂,就增加新的结点,重新划分单元,使裂缝处于单元和单元边界之间。该方法可以模拟和描述裂缝的发生和发展,甚至裂缝宽度也可确定。但因几何模型的调整、计算量大等,其应用受到限制。4.2积分点区域开裂也称单元内部的分布裂缝模型,以分布裂缝来代替单独的裂缝,即在出现裂缝以后,仍假定材料是连续的,仍然可用处理连续体介质力学的方法来处理。某单元积分点的应力超过了开裂应力,则认为整个积分点区域开裂,并且认为是在垂直于引起开裂的拉应力方向形成了无数平行的裂缝,而不是一条裂缝。由于不必增加节点和重新划分单元,很容易由计算自动进行处理,因而得到广泛的应用。4.3应力应变场分布的研究尚不成熟断裂力学在混凝土结构分析领域的研究十分活跃,但主要都集中于单个裂缝的应力应变场的分布问题,对于多个裂缝及其各个裂缝之间的相互影响问题,研究工作目前尚不成熟。5不同模型用于aniss的钢筋混凝土结构5.1混凝土结构单元在ANSYS中可选分离式模型和整体式模型。在分离式模型中,钢筋和混凝土可以采用不同的单元划分方式,例如均采用体单元,但是这种模型的收敛性常存在问题。在整体式模型中,有专门用于钢筋混凝土结构的Solid65单元及Concrete材料,可以考虑反映混凝土压溃和开裂。Solid65单元为八节点六面体单元,通过定义三个方向的配筋率考虑三个方向的钢筋情况。混凝土材料可通过选取非线性模型考虑塑性变形和徐变。Concrete材料模型的基本参数有开裂截面和裂缝闭合截面的剪切传递参数,单轴和多轴的抗拉、抗压强度等。这种模型比较容易得到收敛的解。5.2anasas结构模型ANSYS软件中提供了许多材料模型,材料属性有:线性材料和非线性材料;同性、正交各向异性和非弹性材料;温度相关和温度无关材料等。但大多数为基于经典材料力学理论的均质材料模型,与混凝土的本构关系有很大区别,这些材料模型包括经典双线性随动强化模型(BilinearKinematic,BKIN)、多线随动强化模型(MultilinearKinematic,MKIN)、双线等向强化模型(BilinearIsotropic,BISO)、多线等向强化模型(MultilinearIsotropic,MISO)等,这些材料模型均符合VonMise屈服准则,其应力应变关系曲线如图1。钢筋混凝土中钢筋作为一种金属材料,其力学模型相对容易把握,可采用双线性随动强化模型(BKIN)。混凝土作为一种混合材料,其本构关系非常复杂如图2。ANSYS中多线性随动强化模型(MKIN)合理的选取参数后可以比较接近混凝土模型如图3。该模型可以描述下降段,反映混凝土的软化。也可以通过合理采用σ1、σ2、σ3的值调整本构模型曲线,模拟材料的“包兴格效应”。但是,该模型还不足以反映混凝土材料特性,如该模型无法反映混凝土压溃和开裂后退出工作的特性,而混凝土不开裂则钢筋不能发挥作用从而未能发挥钢筋混凝土的优势。因此,该模型可以在线弹性阶段或混凝土单调加载进入非线性阶段范围内描述混凝土的特性,该模型还不能够完整地描述混凝土特性。5.3裂缝模型ANSYS采用分布裂缝模型。6维实体模型建立过程现以山东省潍北水厂平流式沉淀池在正常运行状态下池壁应力分析为例,说明三维实体有限元模型的建立过程。该沉淀池为钢筋混凝土结构,总有效长度为72m,有效高度为3.5m,超高0.3m,总宽度19.3m,设二组对称布置。6.1壁应力分析根据池体结构对称的工程特点,结构分析模型取三维实体模型,选取单池1/4进行池壁应力分析,壁底部约束简化为固定支座,结构对称部位简化为单方向滑移约束支座。池壁采用“自顶向下”法的实体建模方式,利用ANSYS提供的几何体原形(BLOCK),通过布尔操作(BOOLEANS)进一步修改,得到1/4池壁实体模型。6.2钢筋混凝土结构模型由于池壁内钢筋分布比较密集而又均匀,故选用整体式钢筋混凝土模型用Solid65单元及Concrete材料。6.3材料本构模型本构关系对所选取得钢筋混凝土模型输入以下材料参数数据:①实参数(realconstants)。根据已完成的结构设计方案,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。②材料模型(MaterialModel)。根据选用的C30混凝土和HRB300钢筋,给定其弹性模量、泊松比、密度。③本构关系数据表(DataTable)。钢筋材料选择双折线等强硬化模型,给定一个应力-应变关系的DataTable。混凝土材料,则选用MKIN模型定义混凝土的应力应变关系的DataTable,利用SOLID65特有的Concreteelementdata定义混凝上的强度准则。6.4主要矛盾的检测建立起沉淀池的结构分析模型,有限元网络剖分全部使用三角形网格,共剖分4857个空间块体单元,1809个节点。运行计算,可以得到平流式沉淀池结构分析所需的力学指标如:池壁的变形、池壁的内力(弯矩、剪力)、池壁各点应力分布等。如图4为池壁的变形图,如图5为池壁各点第一主应力分布。从计算结果可以看出:利用这种方法可以得到用手工近似计算无法实现的分析指标数据;控制点的内力计算数值与手工近似计算值接近。计算的应力完全满足强度要求、变形也在允许范围内,说明结构设计和分析是合理的。本文通过对ANSYS在钢筋混凝土结构弹塑性分析中的应用研究,总结给出了三维实体模型的建立的方法,结合