ANSYS中簡(jiǎn)支梁的模擬計(jì)算

1、通過(guò)大型有限元軟件ANSYS對(duì)簡(jiǎn)支梁進(jìn)行模擬計(jì)算下面以鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁的ANSYS程序數(shù)值模擬的應(yīng)用實(shí)例，對(duì)ANSYS程序的應(yīng)用方法及模擬效果進(jìn)行驗(yàn)證，梁的尺寸、配筋及荷載如圖5-9所示。鋼筋采用級(jí)鋼，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。（a）、梁的幾何尺寸及荷載示意圖RCBEAM-01RCBEAM-02RCBEAM-03（b）、梁斷面圖圖5-9 梁尺寸、配筋及荷載示意圖2.1 單元類(lèi)型（i）混凝土單元：采用ANSYS程序單元庫(kù)中SOLID65單元。（ii）縱向鋼筋：PIPE20 （iii）橫向箍筋：PIPE202.2 材料性質(zhì)（i）、混凝土材料表5-4 混凝土材料的輸入?yún)?shù)一覽表1619混凝土立方體抗壓

2、強(qiáng)度（）彈性模量（）泊松比單軸抗壓強(qiáng)度（）單軸抗拉強(qiáng)度（）裂縫間剪力傳遞系數(shù)張開(kāi)閉合30240000.2025.03.11250.350.75·單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線（曲線）在ANSYS程序分析中，需要給出混凝土單軸受壓下的應(yīng)力應(yīng)變曲線。在本算例中，混凝土單軸受壓下的應(yīng)力應(yīng)變采用Sargin和Saenz模型17,18： （5-30）式中??；（ii）、鋼材：（a）、本構(gòu)關(guān)系（應(yīng)力應(yīng)變曲線）在本算例中，所有鋼材，包括梁中縱向主筋、橫向箍筋和鋼支座墊板均采用理想彈塑性模型916，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線見(jiàn)圖5-10。表5-5 鋼材材性輸入?yún)?shù)一覽表縱向鋼筋橫向箍筋鋼支座墊板受拉受壓泊松比0.250

3、.250.25（）（）360210210360說(shuō) 明圖5-10 鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系（b）、屈服準(zhǔn)則和強(qiáng)化準(zhǔn)則鋼材的屈服準(zhǔn)則選用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化材料（BKIN）8。在ANSYS程序中，本算例中鋼材的需要輸入的參數(shù)為泊松比、彈性模量和屈服強(qiáng)度，鋼材的輸入?yún)?shù)見(jiàn)表5-6。2.3 建立模型（a）、單元?jiǎng)澐直舅憷械匿摻罨炷梁?jiǎn)支梁形狀很規(guī)則，因此在ANSYS程序中采用了映射劃分，所有實(shí)體單元都是正六面體單元。在加載點(diǎn)和支座處均加設(shè)40mm厚的鋼墊板，以避免出現(xiàn)局壓破壞。另外，在加載點(diǎn)和支座處的網(wǎng)格進(jìn)行了細(xì)分，以考慮應(yīng)力集中。模型的單元網(wǎng)格圖見(jiàn)圖5-13。（b）、約束條件圖5-11 模型的約束條件根據(jù)對(duì)

4、稱性，可取圖5-9中的1/2模型進(jìn)行有限元分析。相應(yīng)的在ANSYS程序模型中的約束條件見(jiàn)圖5-11。（c）、加載方式在本算例中，采用位移加載，即在加載點(diǎn)墊板中心施加一豎向位移，。在本算例中，沒(méi)有考慮鋼筋混凝土之間的粘結(jié)滑移性能，將鋼筋與混凝土視為完全固結(jié)。FEM模型圖和鋼筋網(wǎng)格圖1,3,5,6見(jiàn)圖5-12和圖5-13所示。斷面圖配筋圖斷面圖配筋圖斷面圖配筋圖RCBEAM-01RCBEAM-02RCBEAM-03圖5-12 各梁FEM模型斷面圖（a）單元網(wǎng)格圖（b）鋼筋單元?jiǎng)澐謭D圖5-13 算例（一）的FEM模型圖2.4 模型求解在ANSYS程序中，對(duì)于非線性分析，求解步的設(shè)置很關(guān)鍵，對(duì)計(jì)算是否

5、收斂關(guān)系很大，對(duì)于混凝土非線性有限元分析，在計(jì)算時(shí)間容許的情況下，較多的求解子步（Substeps）或較小的荷載步和一個(gè)非常大的最大子步數(shù)更容易導(dǎo)致收斂2。在本算例中，設(shè)置了100個(gè)子步。最終本算例收斂成功，在CPU為P41.6G、內(nèi)存為256MB的微機(jī)上計(jì)算，耗時(shí)約為8小時(shí)。 2.5 計(jì)算結(jié)果及分析2.5.1 荷載位移曲線圖5-14為ANSYS程序所得到的各梁的荷載-跨中撓度曲線，從圖中可以看出：（i）、梁RCBEAM-01：曲線形狀能基本反映鋼筋混凝土適筋梁剪切破壞的受力特點(diǎn)，而且荷載-跨中撓度曲線與鋼筋混凝土梁的彎剪破壞形態(tài)非常類(lèi)似，即當(dāng)跨中彎矩最大截面的縱筋屈服后，由于裂縫的開(kāi)展，壓區(qū)

6、混凝土的面積逐漸減小，在荷載幾乎不增加的情況下，壓區(qū)混凝土所受的正應(yīng)力和剪應(yīng)力還在不斷增加，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到混凝土強(qiáng)度極限時(shí)，剪切破壞發(fā)生，荷載突然降低。(a) 荷載P-跨中撓度曲線(a) 彎矩M-跨中撓度曲線圖5-14（a） 荷載跨中撓度曲線（RCBEAM-01）（ii）、梁RCBEAM-02：荷載-跨中撓度曲線與超筋梁的試驗(yàn)荷載-跨中撓度曲線很相似，在荷載達(dá)到極限情況下，沒(méi)有出現(xiàn)屈服平臺(tái)，而是突然跌落。極限彎矩值相對(duì)梁RCBEAM-01增加約30%，與受拉區(qū)配筋率的增加量（100%）相比要低，表明受拉區(qū)所增加的鋼筋沒(méi)有完全發(fā)揮作用，與超筋梁類(lèi)似。(a) 荷載P-跨中撓度曲線(a) 彎矩M-跨中撓

7、度曲線圖5-14（b） 荷載跨中撓度曲線（RCBEAM-02）（iii）、梁RCBEAM-03：荷載-跨中撓度曲線形狀介于適筋梁與超筋梁的試驗(yàn)曲線之間，隨著撓度的增加，荷載幾乎成線性地增長(zhǎng)，在荷載達(dá)到極限情況下，曲線出現(xiàn)一個(gè)較短的屈服平臺(tái)，隨后出現(xiàn)突然跌落情況。由于受拉區(qū)配筋量的加倍，極限彎矩值增加較大，相當(dāng)于梁RCBEAM-01的兩倍，表明受拉區(qū)所增加鋼筋發(fā)揮了完全作用。(a) 荷載P-跨中撓度曲線(a) 彎矩M-跨中撓度曲線圖5-14（c） 荷載跨中撓度曲線（RCBEAM-03）表5-6 計(jì)算結(jié)果與理論值比較計(jì)算項(xiàng)目RCBEAM-01RCBEAM-02RCBEAM-03理論計(jì)算結(jié)果ANSY

8、S計(jì)算結(jié)果理論計(jì)算結(jié)果ANSYS計(jì)算結(jié)果理論計(jì)算結(jié)果ANSYS計(jì)算結(jié)果極限彎矩（）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破壞類(lèi)型受拉區(qū)單側(cè)配筋適筋梁破壞形態(tài)受拉區(qū)單側(cè)配筋超筋梁破壞形態(tài)拉壓區(qū)雙側(cè)配筋適筋梁破壞形態(tài)說(shuō) 明表中帶“*”抗剪承載力沒(méi)有考慮縱向鋼筋的梢栓作用表5-6為理論計(jì)算結(jié)果與ANSYS程序計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，從表5-6中可以看出，（1）、ANSYS程序計(jì)算的跨中最大彎矩值與理論計(jì)算

9、值比較接近，RCBEAM-01和RCBEAM-02最大剪力比梁的斜截面抗剪能力低，即縱筋屈服決定梁的承載能力，壓區(qū)混凝土的剪斷決定梁的最大變形能力，梁的強(qiáng)度仍然由跨中垂直截面彎曲強(qiáng)度決定；而RCBEAM-03的最大剪力比梁的斜截面抗剪能力要大，所以，梁的極限承載能力由梁的斜截面抗剪能力決定，但從表中也可以看出，極限狀態(tài)下的最大彎矩計(jì)算值與理論計(jì)算值比較接近，表明梁ANSYS程序計(jì)算的抗剪能力值為203.433 kN，比理論計(jì)算的148.9 kN值高，這可能是因?yàn)榭v筋的梢栓作用比較突出。從表5-6還可以看出，在縱筋屈服時(shí)刻，ANSYS程序計(jì)算的梁跨中最大撓度值比理論計(jì)算值略小，原因可能是由于沒(méi)有考慮鋼筋-混凝土之間的粘結(jié)滑移，而使整個(gè)梁的整體剛度有所增加。2.5.2 混凝土應(yīng)力-