钢筋混凝土梁的ansys分析

基于ANSYS的钢筋混凝土力学分析摘要本文介绍ANSYS模拟钢筋混凝土梁的过程，讨论了有限元模型的建立以及在ANSYS中的实现，给出了用分离式配筋方法对混凝土梁的分析的一般过程。并给出了详细的命令流过程。并在此基础上对混凝土梁进行了分析，讨论了在力的作用下混凝土梁的塑形变形和裂缝的发展过程。关键词Ansys混凝土梁分离式配筋TheanalysisofmechanicsofareinforcedconcretebasedonANSYSAbstractThispaperintroducesANSYSsimulationofthereinforcedconcretebeamprocess,discussestheestablishmentofthefiniteelementmodelandtherealization,andgivestheANSYSreinforcementmethodwithseparatetheanalysisofconcretebeamsofthegeneralprocess.Andgivesthedetailedcommandflowprocess.Basedontheanalysisofconcretebeams,anddiscussedtheconcretebeamundertheactionofforcesofthebodydeformationandfractureprocess.KeywordsAnsysconcretebeamsreinforcedseparated1引言由于钢筋混凝上材料性质复杂，使其表现出明显的非线性行为[1]。长期以来采用线弹性理论的设计方法来研究钢筋混凝上结构的应力或内力，显然不太合理，尽管有此理论是基于人量试验数据上的经验公式，还是不能准确反映混凝上的力学性能，特别是受力复杂的重要结构，必须采用三维钢筋混凝上非线性有限元方法才能很好地掌握其力学性能。利用ANSYS对钢筋混凝上结构弹塑性的仿真分析，可以对结构自开始受荷载直到破坏的全过程进行分析，获得不同阶段的受力性能。本文将以混凝土梁的弹塑性分析为例，介绍在Ansys中分析材料非线性问题的具体实现方法。2问题介绍如图所示的钢筋混凝土梁[2]，横截面尺寸为200400bhmmmm,梁的跨度为3.0Lm，支座宽度为250mm采用C20混凝土，梁内受拉纵筋3φ20，架立筋采用2φ12，箍筋采用φ6@150，钢筋保护层厚度为25mm。如图一。图一对于梁中所采用的所有钢筋，弹性模量为52.110MPa，抗拉强度设计值210MPa，密度337.810/kgm，泊松比为0.3。根据国标GB50010，混凝土的弹性模量为42.5510MPa，混凝土的轴心抗压强度设计值为9.6MPa，轴心抗拉强度设计值为1.10MPa。相当于峰值压应力（抗拉强度设计值）的应变以及极限压应变分别为0.002和0.0033。分析梁的跨中截面发生5.0cm竖向位移时，梁内的应力分布以及总体变形情况。3建立分析模型下面按照实际操作的先后顺序对建模的具体步骤进行介绍：第一步：分析环境设置指定分析的工作名称为RC-BEAM。指定图形显示区域的标题为ANALYSISOFARC-BEAM。第二步：进入前处理器，开始建模和其他的前处理操作。第三步：定义单元类型（1）定义钢筋单元类型。对于本问题拟采用LINK8单元来模拟钢筋，因此在图二中窗口的左侧选择StructureLink，右侧选择3Dspar8，单击Apply按钮，定义第一种单元类型。图二（2）定义混凝土单元类型。如图三所示。图三第四步：定义钢筋截面面积（均在实常数内定义）（1）定义箍筋面积。如图四所示。图四（2）定义架立钢筋面积。如图五。图五（3）定义纵筋面积。如图六。图六第五步：定义混凝土单元实参数选择菜单项MainMenupreprocessorrealconstant,在realconstants对话框中，单击add按钮，在接下来的单元类型对话框中，选择type2，单击OK按钮，弹出realconstantssetnumber4,forsolid65对话框，由于我们分析中采用分离式配筋方法，因此定义一个空的是参数集，单击OK按钮，关闭该对话框。第六步：定义钢筋材料模型。如图七，八。图七图八点击窗口下边的Graph按钮，在图九就将出现钢筋应力-应变关系曲线。图九第七步：定义混凝土的材料模型先定义弹性阶段如图十。图十然后定义混凝土受压应力应变关系数组。如图十一。图十一继续为混凝土定义强度准则。如图十二。图十二注意：在上面混凝土的单轴抗压强度一栏中填写了-1，其意义为在计算过程中不考虑混凝土的受挤压破坏。此外，如在混凝土的单轴抗拉强度一栏中输入-1则表示在计算过程中混凝土不发生开裂破环。第八步：建立几何模型（1）建立矩形。如图十三。图十三第九步：划分混凝土梁的体网格（1）为混凝土梁设置网格属性。如图十四。图十四（2）指定梁的线段划分尺度。如图十五。划分线2、5、4、7的单元边长为0.05。划分其他八条线的长度为0.025。（3）对体积划分网格。如图十六。图十六第十步：建立钢筋单元（1）建立箍筋单元先建立第一圈箍筋单元。如图十七。图十七然后通过复制建立所有的箍筋单元。如图十八、十九。图十八图十九（2）建立纵筋单元和架立钢筋单元。如图二十。图二十第十一步：施加约束条件。如图二十一。图二十一第十二步：施加载荷。如图二十二。图二十二4分析及后处理第一步：进入求解器第二步：求解选项设置（1）设定分析类型为静力分析。如图二十三。图二十三（2）分析选项设置1）打开大变形选项。2）Newton-Raphson选项。3）选择求解器为Sparse。（3）设置载荷步结束时间和子载荷步。如图二十四。图二十四（4）设置收敛准则。如图二十五。图二十五（5）设置平衡迭代次数。如图二十六。图二十六（六）打开预测开关。如图二十七。图二十七（七）结果文件输出设置。如图二十八。图二十八第三步：求解。在此过程中会看到计算收敛曲线如图二十九。图二十九第四步：退出求解器第五步：进入通用后处理器读取计算结果第六步：绘制结构变形图（1）首先设置位移缩放系数为一百。如图三十。图三十（2）绘制结构变形图。如图三十一。图三十一（3）绘制梁的挠度等值线图。如图三十二。图三十二第七步：绘制混凝土开裂图（1）显示设备设置。如图三十三。图三十三（2）绘制开裂图。如图三十四。图三十四5命令流过程/filEname,RC-BEAM/TITLE,ANALYSISOFARC-BEAM/PREP7ET,1,LINK8ET,2,SOLID65R,1,28.3E-6,,R,2,113.1E-6,,R,3,314.1E-6,,R,4,MP,EX,1,2.1E11MP,PRXY,1,0.3TB,BKIN,1,1,2,1TBDATA,,2.1E8,0.0MP,EX,2,2.55E10MP,PRXY,2,0.3TB,KINH,2,1,8,TBTEMP,0TBPT,,0.0001,2.55E6TBPT,,0.0003,2.664E6TBPT,,0.0006,4.896E6TBPT,,0.0009,6.696E6TBPT,,0.0012,8.064E6TBPT,,0.0016,9.216E6TBPT,,0.002,9.6E6TBPT,,0.0033,9.6E6TB,CONC,2,1,9,TBDATA,,0.3,0.55,1.5E6,-1BLOCK,0.0,3.0,0.0,0.4,0.0,-0.2/VIEW,1,1,2,3/REP,FASTLPLOT/PNUM,LINE,1/REPLOTVATT,2,4,2LSEL,S,LINE,,4,5,1LSEL,A,LINE,,2,7,5LESIZE,ALL,0.05LSEL,INVELESIZE,ALL,0.025LSEL,ALLVMESH,ALLNSEL,S,LOC,X,0.125,0.175NPLOT/VIEW,1,1/REP,FAST/PNUM,NODE,1/REPLOTTYPE,1MAT,1REAL,1*do,i,3349,3354,1e,I,I+1*ENDDO*do,i,3355,3446,7e,I,I+7*ENDDO*do,i,3452,3447,-1e,I+1,I*ENDDO*do,i,3447,3356,-7e,I,I-7*ENDDOESEL,S,TYPE,,1EGEN,19,315,ALL,,,,,,,,0.15,0.0,0.0,ALLSEL,ALLTYPE,1MAT,1REAL,2*do,i,3145,9130,105e,I,I+105*ENDDOesel,r,real,,2EGEN,3,-3,ALL,,,,,,,,0.0,0.0,-0.075,ALLSEL,ALLTYPE,1MAT,1REAL,3*do,i,3237,9222,105e,I,I+105*ENDDOesel,r,real,,3EGEN,2,6,ALL,,,,,,,,0.0,0.0,0.15,ALLSEL,ALLesel,S,TYPE,,1EPLOT/VIEW,1,1,2,3/REPNSEL,S,LOC,Y,0.19,0.21NSEL,R,LOC,X,-0.01,0.01D,ALL,ALLALLSEL,ALLNSEL,S,LOC,Y,0.19,0.21NSEL,R,LOC,X,2.99,3.01D,ALL,ALLALLSEL,ALLNSEL,S,LOC,Y,0.39,0.41SF,ALL,PRES,50000ALLSEL,ALLFINI/SOLUANTYPE,0NLGEOM,1NROPT,FULL,,EQSLV,SPAR,,0,TIME,1AUTOTS,1NSUBST,100,200,50,1KBC,0CNVTOL,U,,0.03,0,,NEQIT,50,PRED,ON,,ONOUTRES,ALL,ALL,SOLVEFINI/POST1SET,LAST/DSCALE,1,100/REPLOTPLDISP,2PLNSOL,U,Y,0,1PLCRACK,0,0FINISH6结论通过以上的分析与讨论,利用ANSYS大型有限元分析程序,进行钢筋混凝土结构构件空间有限元分析是可行的,并具有一定的可靠性。其中钢筋采用双线性等向强化(BI-SO)理性弹塑性材料模型,混凝土采用单轴多折线混凝土受压应力-应变关系(MISO),破坏准则中不考虑混凝土的压碎性能的模型,结果比较理想。虽然上述结论是从钢筋混凝土简支梁得到的,但对其他混凝土构件分析也应具有同样相似的结论。此次分析中,忽略了钢筋与混凝土之间的粘结与滑移,以及箍筋的影响,进行了一定的简化。随着研究的深入,将来建立有限元模型时,应该考虑配筋率、剪切滞后以及箍筋等更多复杂因素的影响,使混凝土结构的研究更准确。参考文献[1]江见鲸,陆新征,叶列平.混凝土结构有限元分析[M].北京:清华大学出版社,2004.[2]尚晓江,邱峰,赵海峰,李文颖,等.Ansys结构有限元高级分析方法与范例应用[M].北京:中国水利水电出版社,2005.