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1、文章编号:100926825(2009)2020054202 ANSYS在钢筋混凝土结构分析中的应用 闫 玉 峰 摘 要:结合钢筋混凝土结构的工作特性,讲述了利用大型有限元计算软件ANSYS进行钢筋混凝土结构分析的全过程 与相关技巧,以合理地运用ANSYS模拟钢筋混凝土结构,从而推广ANSYS的应用。 关键词:ANSYS ,钢筋,混凝土,结构分析 中图分类号:TU375文献标识码:A 作为世界商业有限元软件的杰出代表,ANSYS软件友好的 交互式操作界面,集多领域计算于一体的强大功能,在我国吸引 了越来越多的用户,土木工程是ANSYS软件的一个主要应用领 域。但在应用ANSYS软件进行钢筋混凝
2、土结构分析时,由于结 构自身存在的复杂因素如 :1) 混凝土是复合材料,材料的均质性 较差,应力应变关系成明显的非线性 ;2) 混凝土抗拉强度很低,在 通常情况下钢筋混凝土结构总是带裂缝工作的,裂缝的存在使得 结构的分析大为复杂 ;3) 钢筋和混凝土作为两种性质迥异的材料 在一起工作,引起了复杂的共同作用问题等,合理地运用ANSYS 模拟钢筋混凝土结构仍然是一项富有挑战性的任务。 本文结合钢筋混凝土材料的工作特性,从模型建立到非线性 计算再到结果分析的全过程讲述了利用ANSYS进行钢筋混凝土 结构分析的方法与技巧,并以一钢筋混凝土简支梁为例,说明了 其的具体应用。 1 单元的选用及定义 1.
3、1 混凝土单元 Solid65 ANSYS中提供了上百种计算单元类型,其中Solid65单元是 专门用于模拟混凝土材料的三维实体单元。该单元是八节点六 面体单元,每个节点具有三个方向的自由度(UX, UY, UZ)。在普 通八节点线弹性单元Solid45的基础上,该单元增加了针对于混 凝土的材性参数和组合式钢筋模型,可以综合考虑包括塑性和徐 变引起的材料非线性、 大位移引起的几何非线性、 混凝土开裂和 压碎引起的非线性等多种混凝土的材料特性。 在使用Solid65单元时,一般需要为其提供如下数据: 1) 实常数(Real Constants) :定义弥散在混凝土中的最多三种 钢筋的材料属性,配
4、筋率和配筋角度。对于墙板等配筋较密集且 均匀的构件,一般使用这种整体式钢筋混凝土模型。如果采用分 离式配筋,那么此处则不需要填写钢筋实常数。 2) 材料模型(Material Model) :在输入钢筋和混凝土的非线性 材料属性之前,首先必须定义钢筋和混凝土材料在线弹性阶段分 析所需的基本材料信息,如:弹性模量,泊松比和密度。 3) 数据表(Data Table) :利用数据表进一步定义钢筋和混凝 土的本构关系。对于钢筋材料,一般只需要给定一个应力应变关 系的数据表就可以了,譬如双折线等强硬化(bilinear isotropic hardening)或随动硬化模型(kinematic har
5、dening plasticity)等。而 对于混凝土模型,除需要定义混凝土的本构关系外,还需要定义 混凝土材料的破坏准则。 在ANSYS中,常用于定义混凝土本构关系的模型有: 1) 多线性等效强化模型(Multilinear isotropic hardening plas2 ticity ,MISO模型 ) ; 2) 多线性随动强化模型(Multilinear kinematic hardening plas2 ticity ,MKIN模型 ) ; 际工作中混凝土掺合料脱模剂,粉刷层等因素都会影响实际碳化 深度的测定,要认真加以区别,防止 “假碳化” 产生的误判。 8 注意混凝土回弹值的修
6、正 当检测时回弹仪为非水平方向且测试面为非混凝土的浇筑 侧面时,一定要先按非水平状态,对回弹值进行角度修正,再对修 正后的值进行浇筑面修正,这种先后修正的顺序不能颠倒,不然 会造成计算错误,影响对混凝土强度的推定。特别要注意的是泵 送混凝土的回弹值的修正,由于它流动性大,粗骨料粒径较小,砂 率增加,混凝土的砂浆包裹层偏厚,表面硬度较低,因此,所测得 的数据基本偏低,例如,我经常在工地回弹,测得在混凝土中加入 矿粉及粉煤灰的,28 d回弹时,表面能弹出一个坑,再加上碳化深 度,强度偏低较大,根本无法体现混凝土实体的真实强度。因此, 一定要结合泵送混凝土的测区混凝土强度换算值进行修正,这样 才能符
7、合实际强度。 总之,在使用回弹法检测混凝土抗压强度过程中,要掌握操 作方法,加强检测人员的职业道德素养,提高检测责任心,检测人 员素质,只有这样,才能把我们的检测工作提高到一个新水平。 参考文献: 1 李 建.浅析回弹 钻芯修正法检测混凝土抗压强度J . 山西建筑,2008 ,34(1) :87288. Attention problems in concrete compressive strength test based on rebound method AN Dong2yan Abstract : The author introduces work which should be
8、do well in order to improve detection precision effectively from several aspects , such as theory of rebound method , attention points of adopting rebound method detection , measure of carbonation depth , correction of rebound value and final treatment of data , so as to ensure the detection data ca
9、n reflect the entity situation really. Key words : concrete , compressive strength , conversion value , carbonation depth , correction value 45 第35卷 第20期 2 0 0 9年7月 山 西建筑 SHANXI ARCHITECTURE Vol. 35 No. 20 Jul. 2009 3)Drucker2Prager plasticity(DP)模型。 此处的本构关系是指混凝土单轴受压应力应变关系,采用较 多的是MISO模型。 ANSYS还专门为So
10、lid65单元提供了Concrete模型用于定义 混凝土的破坏准则。在这个Concrete data table中有9个参数,通 常我们必须定义如下参数才能完成计算,含义及取值依次为: 1) ShrCf2Op :裂缝张开剪力传递系数,0. 30. 5。 2) ShrCf2Cl :裂缝闭合剪力传递系数,0. 91. 0。 3) UnTensSt :单轴抗拉强度,实际值,一般为单轴抗压强度的 1/ 81/ 15。 4) UnCompSt :单轴抗压强度,实际值。若输入- 1则代表关 闭混凝土的压碎能力,此时,程序将采用混凝土的塑性段或塑性 下降段而不用混凝土压碎作为判据。在通常的钢筋混凝土结构 计
11、算中,采用此方式,将有助于计算收敛,同时对计算精度影响不 大,因此推荐采用此方式。 利用Solid65单元及Concrete材料可以在一定范围内较好的 进行钢筋混凝土结构非线性分析,但是对于复杂加载路径下结构 的响应,如地震动作用下结构的滞回性能的分析,由于材料模型 过于粗糙,有可能得不到令人满意的结果。此时可以利用ANSYS 提供的UPF(User Programmable Features)功能,允许用户自定义 材料,实现标准ANSYS所不具备的材料模型,对于复杂的材料模 型,用户只要自己确定合理的算法,就可以将其移植到ANSYS 中,利用标准ANSYS出色的单元库及非线性方程求解器进行钢
12、 筋混凝土结构的非线性分析。 1. 2 钢筋单元 利用ANSYS软件进行钢筋混凝土结构建模时,有如下两种 基本方式创建钢筋单元: 1) 整体式配筋:即如上所述,通过定义Solid65单元的实常数 表指定钢筋的材料属性,配筋率及配筋角度,可在每个混凝土单 元中定义最多三种钢筋。在单元分析时,ANSYS自动根据定义 数据求得钢筋对混凝土单元的刚度贡献,组成一个复合的单元刚 度矩阵。 2) 分离式配筋:在分离式配筋中,采用杆件单元模拟钢筋,混 凝土和钢筋各自作为独立的单元形式存在,两者间通过节点位移 协调或界面单元连接,在分析中,各自形成独立的单元刚度矩阵; 对于钢筋配置较稀疏或不均匀的情况,需采用
13、分离式配筋,单元 形式可采用空间一维链杆单元Link8单元。该单元是杆轴方向 的拉压单元,每一节点有3个自由度:沿节点坐标系x , y , z方向 的平动,不承受弯矩,具有塑性、 蠕变、 膨胀、 应力刚化、 大变形、 大 应变等功能。 对于钢筋材料,一般只需要给定一个应力应变关系的数据表 就可以了,常采用的本构关系模型是双折线等强硬化(bilinear isotropic hardening)或随动硬化模型(kinematic hardening plastici2 ty) 等。 2 有线元模型的建立 在有限元分析中,网格划分方式对求解精度及速度影响较 大。通常网格划分越细,求解精度越高,但在
14、有些部位如支座处, 网格密集反而容易引起应力集中,而且所需求解时间也将成倍增 长。因此,在进行网格剖分时,要注意精度与求解时间的协调。 网格的形状好坏也直接影响到求解精度。对于三维实体单 元而言,如果单元最长边与最短边尺寸相差过大,将可能造成计 算结果失真。计算经验及有关资料证明,对于块体单元,只要控 制最长边与最短边的比值在16倍以内,那么计算结果就是可靠 的,可按此原则控制网格尺寸。 提高计算效率的另一种较为有效的方式是充分利用结构的 对称性来简化模型。 3 非线性求解问题 3. 1 荷载步 通常钢筋混凝土结构的求解可分为四个阶段: 1) 加载到开始出现裂缝; 2) 很多裂缝出现; 3)
15、钢筋屈服; 4) 一直到破坏。 第 1) 阶段为线性阶段,可以加比较大的荷载步,当出现裂纹 后,求解进入非线性阶段,方程较难收敛甚至不收敛,应减小荷载 步长。这需要依据经验或者试算来调整,也可通过ANSYS自动 判别。 3. 2 计算的收敛 ANSYS混凝土计算收敛(数值)是比较困难的,主要影响因 素是网格密度、 子步数、 收敛准则等,这里讨论如下: 1) 网格密度:网格密度适当能够收敛。不是网格越密越好, 当然太稀也不行,这仅仅是就收敛而言的,不考虑计算费用问题。 但是究竟多少合适,目前没有一定的规律,通常需试算决定。 2) 子步数:子步数(NSUBST)的设置很重要,设置太大或太小 都不能
16、达到正常收敛。这点可以从收敛过程图看出,如果F范数 曲线在 F曲线上面走形的很长,可考虑增大NSUBST ,或者根据 经验慢慢调整试算。 3) 收敛准则:根据求解类型可选择用力收敛准则或位移收敛 准则。位移收敛准则相对容易收敛,但收敛后的求解结果不好。 用力收敛准则较难收敛,但收敛后求解精度较好。计算中可以放 宽收敛条件以加速收敛,一般设置收敛精度不超过 5 %( 缺省是 0. 1 %)。 4 结语 本文基于作者多年使用ANSYS软件进行结构分析的经验, 对应用ANSYS进行钢筋混凝土结构分析可能涉及到的基本过程 进行了详细地介绍,更不乏对相关技巧的说明。 但是,应该看到,不同工程有其不同特点
17、,实际应用中必须结 合具体工程的实际情况进行建模及分析,才能保证分析结果的可 靠性。 参考文献: 1 李丙涛,谢肖礼,张二毛. ANSYS在巨型框架结构模态分析 中的应用J .山西建筑,2008 ,34(8) :94295. Application of ANSYS in RC analysis YANYu2feng Abstract : Combining featuresof RC structure , the paper states the whole process and relative skillsof making RC analysis by using large finite computer software ANSYS , it aims to simulate the RC structure by using ANSYS reasonably , so as to popularize application of it. Key words : ANSYS , steel bar , concrete , structure analysis 55 第35卷 第20期 2 0 0 9年7月 闫玉峰:ANSYS在钢筋混凝土结构分析中的应用
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