ANSYS 在组合扁梁承载力性能研究中的应用.pdf
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1、ANSYS 在组合扁梁承载力性能研究中的应用 陈 全 石永久 王元清 陈 宏 张 勇 (清华大学土木工程系 北京 100084) 摘摘 要要 本文采用有限元分析软件 ANSYS 研究了组合扁梁承载力的问题,分别建模计算了简支组合扁梁、 悬臂组合扁梁和框架组合扁梁的承载力,并且与足尺试验结果进行了比较,吻合良好。 关键词关键词 ANSYS 塑性极限承载力 组合扁梁 有限元 1 前言 钢混凝土组合梁的混凝土楼板搁置在钢梁的上翼缘上,通过栓钉剪力连接件将钢梁 和混凝土楼面板连成整体而共同工作,混凝土楼板既承受竖向荷载,又作为组合梁的翼缘 参与梁的受力,使梁由纯钢梁受弯状态改变为混凝土受压和钢梁受拉状
2、态,从而达到了充 分利用材料的目的。近年来,为了降低结构的高度,又充分考虑楼盖对梁刚度的加强作用, 出现了将混凝土楼板放置在钢梁的下翼缘上的组合扁梁,如图 1 所示。 图 1 组合扁梁示意图 组合扁梁楼盖由钢梁和预制钢筋混凝土空心楼板组成,其中预制钢筋混凝土楼板搭在 钢梁的下翼缘上。加配横向钢筋和钢丝网是为了保证在扁梁达到强度极限状态之前不发生 混凝土板纵向剪切破坏,剪力连接件是保证剪力有效地传递及叠合板共同工作。 组合扁梁受力比较复杂, 很难用解析方法求其精确解。 本文采用有限元分析软件ANSYS 对简支组合扁梁、悬臂组合扁梁和框架组合扁梁的承载力、刚度和延性等特征进行了研究, 并与足尺试验
3、结果进行了比较,吻合良好。 2 组合扁梁承载力分析方法 ANSYS 以比较完善的有限元理论为依据,有强大的非线性分析功能,可以处理混凝土 梁中配置钢筋、混凝土的开裂和压溃等复杂问题,用于进行试验仿真分析非常方便。本文 1 的有限元分析,主要用到 ANSYS 提供的线单元和块单元两种类型:LINK8,SOLID45 和 SOLID65。 LINK8 单元模拟钢筋的受力情况; SOLID45 单元模拟钢梁的受力情况; SOLID65 单元用于模拟混凝土模型。另外,对于组合扁梁,试验表明钢梁与混凝土之间的滑移可以 忽略,所以钢梁与混凝土之间连接可以采用共用节点以使其共同协调。 混凝土的抗拉强度非常低
4、,在加载初期就要开裂,能否正确地模拟混凝土的开裂是计 算结果是否精确的关键。本文采用单元死活来模拟混凝土的开裂,其基本思想:如果混凝 土开裂,就假设其对结构的刚度和承载力的贡献可以忽略,在建模计算时,可以忽略这些 单元。结构分析的有限元模型的单元是不确定的,是动态的,受其受力状态而改变的。在 计算分析中,根据 ANSYS 计算出来的应力和应变,把满足开裂条件的单元杀死,让其退出 工作,然后按新的模型重新计算,如此反复迭代,直到相邻两次迭代结果相差在可接受的 范围内即可停止计算。分析中,需要注意的是:对于节点,与其连接的所有活单元被杀死 以后,该节点变成一个漂移的节点,具有浮动的自由度数值。在一
5、些情况下,需要约束住 这些不被激活的自由度以减少要求解方程的数目,并防止出现位置错误。但是,在重新激 活与其相连的单元时要根据情况删除这些人为施加的约束。另外,在查看结果时,尽管其 对刚度矩阵的贡献被忽略了,但由于杀死的单元仍在模型中,其结果仍包含在单元显示和 结果输出列表中,在单元显示和其它的后处理操作之前,需用选择功能排除这些没有被激 活的单元以方便查询处理。 3 计算参数及计算模型 简支、悬臂和两端固支三种不同边界条件的组合扁梁跨度分别为 4000mm、4000mm 和 1500mm,对其分别建立了 ANSYS 有限元模型,并进行了计算分析。在有限元分析中,假 定钢材各向同性,弹性模量取
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