基于ANSYS的钢筋混凝土梁非线性分析

超静定预应力混凝土梁非线性有限元分析

摘要：从延性理论出发，推导出满足承载能力要求的弯矩调幅限值的延性表达式，在弯矩调幅系数的取值上，考虑了使用阶段裂缝宽度限值的影响，提出了弯矩调幅系数的建议公式。借助ansys对预应力混凝土超静定梁进行全过程受力分析，将有限元计算结果与试验相验证，并分析了塑性铰的形成及弯矩重分布对极限承载力的影响。

关键词：预应力混凝土；非线性；延性；有限元

中图分类号：tu528.571 文献标识码：a文章编号：

abstract：embarks from the ductility theory, infers

satisfies the bearing capacity request the bending moment

amplitude modulation limiting value ductility expression, in

the bending moment amplitude modulation coefficient’s value,

had considered the operational phase crack opening limiting

value’s influence, proposed the bending moment amplitude

modulation coefficient suggestion formula. with ansys

statically indeterminate prestressed concrete beams whole

process of stress analysis, finite element calculation

results with the experimental validation, and has analyzed

plastic hinge’s formation and the bending moment heavy

科技信息ＳＣＩＥＮＣＥＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ２００７年第１４期

１．ＡＮＳＹＳ分析的原理和步骤ＡＮＳＹＳ的热分析［１］包括稳态和瞬态两种，如果系统的温度场与时间无关，则称该系统处于稳定的热状态，简称稳态；如果系统的温度场随时间发生变化，则称系统处于瞬态。显然，大体积混凝土的浇筑过程属于瞬态分析，也属于非线性分析。我们不仅要进行混凝土温度场的模拟还要进行应力场的模拟，所以要用到ＡＮＳＹＳ中耦合分析，ＡＮＳＹＳ提供了两种分析耦合场的方法：直接耦合与间接耦合。直接耦合法的耦合单元包含所有必须的自由度，仅仅通过一次求解就能得出耦合场分析结果；间接耦合法是以特定的顺序求解单个物理场的模型，通过把第一次场分析的结果作为第二次场分析的载荷来实现两种场的耦合。如我们用到的热－应力耦合分析就是将热分析得到的节点温度作为载荷施加在后序的应力分析中来实现耦合的。基本步骤如下：第一步：进行热分析，可选择ＳＯＬＩＤ７０单元；第二步：重新进入前处理器，转换单元类型；将热单元转换为相应的结构单元，原来的ＳＯＬＩＤ７０单元将自动转换为ＳＯＬＩＤ４５单元，其对应的命令是ＥＴＣＨＧ，ＴＴＳ。第三步：设置结构分析中的材料属性；第四步：读入热分析结果并将其作为载荷；可采用命令ＬＤＲＥＡＤ读入热分析的节点温度，或点击ＭａｉｎＭｅｎｕ＞Ｓｏｌｕｔｉｏｎ＞ＬｏａｄＡｐｐｌｙ＞Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ＞ＦｒｏｍＴｈｅｒｍａｌＡｎａｌｙｓｉｓ。注意，结果文件的扩展名为＊．ｒｔｈ。第五步：指定参考温度；在参考温度处，热应力值为零。第六步：求解及后处理。２．温度场的求解２．１三种基本传热方式（１）热传导，遵循傅里叶定律（导热基本定律）：ｑ″＝－λｄＴｄｘ，式中ｑ″为热流密度（Ｗ／ｍ２），λ为导热系数（Ｗ／ｍ·℃），“－”表示热量流向温度降低的方向。（２）热对流，用牛顿冷却方程来描述：ｑ″＝β（ＴＳ－ＴＢ），式中β为对流换热系数，ＴＳ为固体表面的温度，ＴＢ为周围流体的温度。（３）热辐射，指物体发射电磁能，并被其它物体吸收转变为热的热量交换过程。２．２边界条件（１）第一类边界条件是指混凝土表面温度Ｔ是时间τ的已知函数，即Ｔ（ｘ，ｙ，ｚ，τ）＝Ｔｂ（τ）（２）第二类边界条件是指混凝土表面的热流量是时间的已知函数，即－λ$Ｔ$ｎ＝Ｔ′（τ）式中λ———导热系数，Ｗ／ｍ·℃或ｋＪ／ｍ·ｈ·℃，Ｗ／ｍ·℃＝３．６ｋＪ／ｍ·ｈ·℃；ｎ———表面外法线方向，若表面是绝热的，有：$Ｔ$ｎ＝０。（３）第三类边界条件假定经过混凝土表面的热流量与混凝土表面温度Ｔ和气温Ｔａ之差成正比，即－λ$Ｔ$ｎ＝β（Ｔ－Ｔａ）式中β———表面放热系数，也称对流系数，Ｗ／ｍ２·℃。其数值与风速ｖａ（ｍ／ｓ）有密切的关系，固体表面在空气中的放热系数可用以下两式计算，单位是ｋＪ／ｍ２·ｈ·℃。粗糙表面：β＝２３．９＋１４．５０ｖａ（１）光滑表面：β＝２１．８＋１３．５３ｖａ（２）当有模板和保温层时，可按下式计算：β＝１∑δｉλｉ＋１βｑ（３）式中δｉ———各种保温材料的厚度（ｍ）；λｉ———各种保温材料的导热系数（Ｗ／ｍ·Ｋ），可按表１取值［２］；βｑ———空气的传热系数，可取２３（Ｗ／ｍ２·Ｋ）。表１各种保温材料的导热系数λ值（Ｗ／ｍ·Ｋ）

1基于ANSYS的核电厂安全壳结构的 非线性有限元分析 孙 锋 .环境保护部 核与辐射安全中心, 北京 100082 摘要：对核电厂预应力混凝土安全壳结构进行了内压作用下的非线性有限元分析。详细介绍了ANSYS中的混凝土单元SOLID65及混凝土材料的本构关系，并对非线性求解过程中影响收敛的因素进行了分析。以福清核电厂5、6号机组内层安全壳为工程实例进行有限元计算，1.5 m至3.0 m标高范围内的径向位移大于其它高度的径向位移，标高2.0 m左右的径向位移最大；内压加至0.5MPa，模型结构仍处于受压状态，满足使用要求。分析表明，福清核电厂安全壳结构在设计内压作用下是安全的，可为安全壳整体性试验提供参考。 关键词：ANSYS；SOLID65单元；安全壳结构；非线性分析；本构模型 Nonlinear finite element analysis of containment structure in nuclear power plant based on ANSYS Abstract: Nonlinear finite element analysis of nuclear power plant prestressed concrete containment structure subjected to internal pressure is carried out. solid65 element and constitutive model of concrete in ANSYS are introduced in details, and solution controls methods are put forward . In numerical simulation, The radial displacement between 1.5m and 3.0m model height is larger than that at other level, and the radial displacement at about 2.0m height is the maximum. Because of prestressing, the model structure is under compression till internal pressure is up to 0.5MPa，and it satisfies the design requirement. Analysis of the model structure shows that the containment is safe under the given inner pressure，which can contribute to the integrity test of concrete containment structure. Key words: ANSYS; solid65 element; containment structure; nonlinear analysis; constitutive model 1 前言 我国已建核电厂安全壳均为预应力钢筋混凝上结构。安全壳结构的主要用途是屏蔽发生基准失水事故时产生的辐射物质，防止外物的袭击等，具有承受内压并不出现混凝上裂缝的能力。为保证安全壳正常运行，在启动反应堆前，须进行整体性能试验，试验

ＡＮＳＹＳ在体外预应力混凝土结构非线性分析中的应用余海堂　ＡＮＳＹＳ在体外预应力混凝土结构非线性分析中的应用　余海堂　（铁道第四勘察设计院公路处武汉４３００６３）　［摘　要］体外预应力混凝土结构由于其体外索和梁体在受力过程中变形不相协调的特点使计算比较困难，　采用有限元进行数值分析是常用的一种方法。体外预应力混凝土结构有限元建模有其特殊性，如何建立有限　元模型是正确分析的基础。详细介绍了如何运用ＡＮＳＹＳ对体外预应力混凝土简支梁进行有限元建模及全　过程分析，包括单元选取、本构关系的选用、网络的划分、计算的设置等，最后通过实例验证了该建模方法的正　确性。　［关键词］ＡＮＳＹＳ体外预应力梁　本构关系　．　体外预应力混凝土结构是后张预应力混凝土　结构体系的一个重要分支，指在混凝土梁体外使　用无粘结预应力钢筋，用锚固端和梁相连接，通过　中间转向块使索偏转的一种预应力结构。近年　来，由于斜拉桥的再度发展和节段施工法在桥梁　建设中的大量应用以及旧有建筑物的加固等，为　体外预应力的发展创造了有利条件口］。体外预应　力混凝土结构在正常使用极限状态和承载能力极　限状态下的各种性能是设计者关注的问题，而我　国现行规范还没有提出一种有效的计算方法。国　外规范大都是以实验数据为基础建立起来的，但　这些实验数据大多是以小梁为研究对象，和实际　结构有一定出入；另外，实验梁的数量、形式、材料　都不可能包含所有可能的体外预应力结构的规　律。因此，解决此问题的最好办法就是采用有限　元数值分析，而体外预应力混凝土结构建模有其　特殊性，正确建立有限元模型是进行数值分析的　基础。　有限元法是在连续体力学领域应用的一种数　值分析方法。ＡＮＳＹＳ是由美国ＡＮＳＹＳ公司开　发的用于微机平台的大型有限元分析软件。用　ＡＮＳＹＳ分析钢筋混凝土结构时，在弹性及线弹　性阶段一般可取得满意的结果，因此适合于分析　预应力混凝土结构＿＿２］［　。本文以单折线体外预应　３６　力混凝土简支梁为例，采用ＡＮＳＹＳ有限元分析　软件对混凝土梁进行了非线性有限元三维建模及　全过程分析。　１　单元选择　（１）混凝土单元　ＡＮＳＹＳ的ＳＯＬＩＤ６５单元是专为混凝土、岩　石等抗压能力远大于抗拉能力的非均匀材料开发　的单元。ＳＯＬＩＤ６５单元用于含钢筋或不含钢筋　的三维实体模型。该实体模型可具有拉裂与压碎　的性能。在混凝土的应用方面，如用单元的实体　性能来模拟混凝土，而用加筋性能来模拟钢筋的　作用。该单元也可用于其它方面，如加筋复合材　料（如玻璃纤维）及地质材料（如岩石）。ＳＯＬＩＤ６５　单元具有八个节点，每个节点有三个自由度，即　Ｘ、Ｙ、Ｚ三个方向的线位移；还可对三个方向的含　筋情况进行定义。ＳＯＬＩＤ６５单元与ＳＯＬＩＤ４５单　元（三维结构实体单元）相似，只是增加了描述开　裂与压碎的性能。本单元最重要的方面在于其对　材料非线性的处理。其可模拟混凝土的开裂（三　个正交方向）、压碎、塑性变形及徐变，还可模拟钢　筋的拉伸、压缩、塑性变形及蠕变，但不能模拟钢　筋的剪切性能。　铁道勘测与设计ＲＡＩＬＷＡＹ　ＳＵＲＶＥＹ　ＡＮＤ　ＤＥＳＩＧＮ　２００７（１）