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基于ANSYS的钢筋混凝土梁非线性分析赵广叶【摘要】介绍了基于ANSYS软件钢筋混凝土结构非线性有限元分析的技术要点以及分析中需要注意的问题,用ANSYS对一根钢筋混凝土筒支梁进行非线性全过程分析,研究钢筋混凝土梁荷载与跨中挠度关系、刚度变化规律、破坏特征、裂缝发展形态以及钢筋、混凝土应力发展过程,并与理论计算结果进行了对比分析.【期刊名称】《山西建筑》【年(卷),期】2010(036)003【总页数】2页(P65-66)【关键词】ANSYS软件;非线性有限元分析;理论计算【作者】赵广叶【作者单位】同济大学,上海,200092【正文语种】中文【中图分类】TU375.1ANSYS软件是融结构、流体、电磁场、声场和热场分析于一体的大型通用有限元分析软件,具有非常强大的非线性分析功能。
本文在介绍ANSYS中钢筋混凝土非线性有限元分析实现过程的基础上,着重对一根典型的钢筋混凝土简支梁进行非线性全过程分析,得到梁的荷载—跨中挠度曲线,对简支梁的刚度变化规律、破坏特征、裂缝发展规律进行研究,并与理论计算值进行对比。
1 钢筋混凝土结构ANSYS非线性分析ANSYS分析时,钢筋混凝土结构的有限元模型主要有分离式和整体式两种模型[1]。
混凝土材料的本构关系可采用多线性等向强化模型MISO,多线性随动强化模型MKIN,DP模型等,钢筋可采用双线性随动强化模型BKIN和双线性等向强化模型BISO等。
当不输入本构关系时,在混凝土开裂和压碎前,ANSYS采用缺省的本构关系,即混凝土和钢筋均采用线性本构关系。
要输入混凝土的本构关系,则首先确定采用何种单轴受压的应力应变关系。
该关系表达式众多,可参考相关资料或规范选取,建议采用GB 50010-2002推荐公式或Hongnestad公式[2]。
2 钢筋混凝土简支梁非线性分析实例以钢筋混凝土简支梁的数值模拟为例,对ANSYS非线性分析过程进行说明。
混凝土采用C30,钢筋全部采用HRB335,混凝土保护层厚度30 mm,距两端支座500 mm处分别有一集中荷载作用于钢垫板上,垫板尺寸150 mm×100 mm。
sap2000钢筋混凝土非线性计算(1)文章一：一、引言:本文档旨在详细介绍如何使用SAP2000进行钢筋混凝土非线性计算。
钢筋混凝土结构在实际工程中使用广泛，了解其非线性行为对于结构设计、分析和评估至关重要。
本文将介绍SAP2000软件的使用步骤，并提供详细的计算示例。
二、SAP2000软件简介:SAP2000是一款用于结构分析和设计的通用软件，它可以用来进行线性和非线性的结构分析。
该软件提供了一系列强大的功能，包括模型建立、负荷应用、边界条件设定、分析求解等。
三、模型建立:1. 创建SAP2000项目文件。
2. 导入钢筋混凝土结构的几何信息。
3. 定义节点、材料和截面属性。
4. 建立结构模型，包括梁、柱和板等元素。
四、负荷应用:1. 定义荷载组合，包括常规荷载、活荷载和地震荷载等。
2. 在结构模型上施加荷载。
五、边界条件设定:1. 定义结构边界条件，如固定支座、弹簧支座和滑动支座等。
2. 设定梁、柱和板的约束条件。
六、分析求解:1. 选择分析类型，如静力分析、动力分析和非线性分析等。
2. 进行分析求解，获取结构的位移、反力和应力等结果。
七、结果输出:1. 查看结构的分析结果。
2. 结果报表和图形。
八、计算示例:以下是一个钢筋混凝土框架结构的非线性计算示例：1. 建立结构模型，包括梁、柱和板等。
2. 定义荷载组合，并施加荷载。
3. 设定边界条件和约束条件。
4. 进行非线性分析，获取结构的位移、反力和应力等结果。
5. 查看分析结果，并结果报表和图形。
结尾：1、本文档涉及附件，请查阅附件部分。
2、本文所涉及的法律名词及注释：无。
文章二：一、引言:本文档将介绍如何使用SAP2000进行钢筋混凝土非线性计算。
钢筋混凝土结构的非线性行为是结构设计和分析的重要考虑因素。
了解钢筋混凝土的非线性行为对于工程师进行结构评估和优化设计至关重要。
本文将详细说明SAP2000软件的使用步骤，并提供一个实际工程案例进行计算示范。
第六章 钢筋混凝土结构非线性分析应用§6.1截面非线性分析例 1: 钢筋混凝土单筋矩形截面，混凝土和钢筋的应力-应变关系选自CEB 模型规范（1990），见下图6-1-1，图 6.1-1 截面和材料应力-应变关系极限弯矩 M u : 用弧长法对截面进行全过程分析，对给定的弯矩M y , 计算相应的截面应变平面({}[]T z y ϑϑεε0=).计算不平衡弯矩及相应的应变平面增量，直至满足收敛条件。
再增加弯矩∆M y , 计算相应的应变平面增量，等等，图6-1-2为截面弯矩-曲率关系曲线。
图 6.1-2 弯矩-曲率关系曲线 例2: 采用不同应力-应变关系（EC2规范, CEB 规范），钢筋混凝土矩形截面的几何尺寸和配筋同例1，非线性分析结果见图6-1-4。
力-应变关系随应变而逐渐的降低，截面刚度降低的也比较缓慢。
图 6.1-4 CEB 规范与EC2 规范建议的应力-应变关系截面分析结果比较例 3: 异形截面非线性分析. 此例Georg Knittel [32]计算过，Knittel 选择的材料应力应变关系取自德国规范DIN 1045(见图 6.1-5). 截面形状和尺寸见图6.1-6. Knittel 分析的截面极限承载力为，{}{}N M M y z T T=--005026000075... 相应的应变矢量为，{}{}{}TT z y 009343.0006976.0004359.00--==ϑϑεε. 用弧长法分析时取的参照荷载值为，{}{}N M M yz T T =--00050026000075... 截面极限荷载为，{}{}N M M y z T T =--004991490263211600076718...(a) DIN 1045建议的混凝土应力-应变关系 (b) DIN 1045建议的钢筋应力-应变关系图 6.1-5 DIN 1045规范建议的应力-应变关系图 6.1-6 钢筋混凝土柱截面图 6.1-7 极限状态时混凝土压应力分布图 6.1-8 弯矩-曲率(M y- y) 关系曲线§6.2 受弯和偏压构件非线性分析6.2.1 简化计算利用虚功原理计算荷载挠度曲线：设两点集中加载简支梁，弯矩图、曲率分布图如下，图6-2-1 梁内力与变形取支撑条件相同的简支梁为虚梁，拟求跨中挠度，在虚梁跨中施加单位荷载（求转角加单位力矩）。
钢筋混凝土梁非线性分析
主要内容
第一部分：荷载及梁的尺寸
第二部分：建模
第三部分：加载、求解
第四部分：计算结果及分析
第一部分：荷载及梁的尺寸
材料性能：
混凝土弹性模量E=25500MPa,泊松比ν=0.3,轴抗拉强度标准值为1.55MPa,单轴抗压强度定义为-1，则程序不考虑混凝土的压碎行为，关闭压碎开关。
裂缝张开传递系数0.4,裂缝闭合传递系数1 。
钢筋为双线形随动硬化材料，受拉钢筋弹性模量E=200000MPa, 泊松比ν=0.3,屈服应力=350MPa，受压钢筋以及箍筋E=200000MPa，,泊松比ν=0.3，屈服应力=200MPa。
第二部分：建模
由于对称约束，只需要建立1/2模型即可，在对称面上可以采用对称约束。
建立好的模型见下图：
(1)进入ANSYS，设置工程名称为RC-BEAM
(2)定义分析类型为结构分析
(3)定义单元类型在单元库中选65号实体单元为二号单元，建立混凝土模型；选LINK8单元为一号单元，模拟钢筋模型；定义辅助网格单元MESH200及其形状选择。
1)钢筋混凝土有限元模型的合理选用
①整体式
整体式有限元模型是将钢筋弥散于整个单元中，将加筋混凝土视为连续均匀材料，求出的是一个统一的刚度矩阵。
该方法优点是建模方便，分析效率高;缺点是不适用于钢筋分布较不均匀的区域，且不易得到钢筋内力。
主要用于钢筋混凝土板、剪力墙等有大量钢筋且钢筋分布较均匀的构件。
②组合式
组合式有限元模型是将纵筋密集的区域设置为不同的体，使用带筋的SOLID65单元，而无纵筋区则设置为无筋SOLID65单元。
这样就可以将钢筋区域缩小，接近真实的工程情况。
这种模型假定钢筋和混凝土两者之间的相互粘接良好，没有相对滑移。
在单元分析时，可分别求得混凝土和钢筋对刚度矩阵的贡献，组成一个复合的、单元刚度矩阵。
③分离式
分离式有限元模型采用SOLID65来模拟混凝土，空间LINK8杆单元来模拟纵筋，这样的建模能够模拟混凝土的开裂、压坏现象及求得钢筋的应力，还可以对杆施加预应力来模拟预应力混凝土。
钢筋单元与混凝土单元共用节点,以实现整体工作过程中自由度的耦合。
缺点是建模比较复杂，单元较多，且容易出现应力集中拉坏混凝土的问题。
2)单元选取及其本构关系
对于混凝土材料模型，ANSYS可通过专门的单元类型SOLID65(三维钢筋混凝土实体单元)和专门的材料模型CONCRETE来实现;而混凝土结构中的钢筋的主要作用是承受轴向的拉力或压力,因此，钢筋单元可选用LINK8杆单元，材料采用随动硬化双线性弹塑性(Kinematic hardening plasticity)模型。
这样，由实体单元SOLID65 和杆单元LINK8共同构成的钢筋混凝土模型能很好地反映钢筋混凝土的特性，模拟出其压碎及开裂的破坏过程。
2)．1混凝土单元
SOLID65单元具有八个节点，每个节点有三个自由度，即具有X、Y、Z三个方向的线位移;采用整体式模型时还可对三个方向的含筋情况进行定义。
该实体模型可具有拉裂与压碎的性能。
CONCRETE材料特性用的是William-Wamke 五参数破坏准则和拉应力准则的组合模式，可以自由定义混凝土开裂后裂缝张开和闭合时的剪力传递系数、混凝土的应力一应变关系以及混凝土的单向和多向拉压强度等。
混凝土采用William-Wamke五参数破坏准则，程序将根据SOLID单元8个积分点上的多轴应力状态和破坏准则判断材料发生何种破坏，如果使用ANSYS 中的塑性模型考虑混凝土材料的塑性行为，塑性只能发生在W-W五参数准则所定义的破坏面以内。
一旦材料超出了破坏面，将进入破坏状态。
前两个参数的取
值范围是0-1,1表示建立完全传递，0表示完全没有剪切传递作用，本题混凝土张开裂缝的剪力传递系数取0.4,闭合裂缝的剪力传递系数取1。
单轴抗拉强度取
1.55，单轴抗压强度取-1。
2)．2钢筋单元
ANSYS中钢筋一般选用LINK8单元和随动硬化双线性弹塑性模型。
该单元既能承受拉力，同时又能承受压力。
随动硬化双线性弹塑性模型适用于遵从von-Mises（米塞斯屈服准则的物理意：在一定的变形条件下，当材料的单位体积形状改变的弹性位能（又称弹性形变能）达到某一常数时，材料就屈服。
）屈服准则的材料，应力应变曲线如图3所示，曲线OA1段的斜率代表材料的弹性模量，曲线A1B1段的斜率代表材料的切线模量，A1为材料的屈服强度，B1为材料的极限强度，切线模量不能小于零，同时也不能大于弹性模量。
2）．3钢筋与混凝土之间的联结单元
在钢筋混凝土结构采用分离式建模时，钢筋与混凝土之间的作用方式一般有两种:第一种是不考虑钢筋与混凝土之间的滑移，即假设钢筋和混凝土之间位移完全协调。
处理办法就是钢筋混凝土模型在划分单元时让混凝土单元和钢筋单元(包括纵向受力筋和箍筋)共享节点。
第二种是在钢筋单元和混凝土单元在同一坐标位置的节点之间增设虚拟的单元，模拟他们二者之间的粘结滑移，这样可以进一步提高分析的精度。
目前这种粘结单元常用非线性弹簧单元COMBIN39进行模，该单元可以很方便地设定界面上的剪力一滑移关系，但该COMBIN39单元只能模拟一个方向(比如X方向)的粘结，另外两个方向(Y，Z)只能使节点位移耦合，表示粘结刚度无限大，以致钢筋单元和混凝土单元的相应节点在Y、Z两方向上没有相对位移。
分析结果的准确程度主要取决于弹簧刚度的取值。
(4)定义实常数
这一步根据钢筋的直径等材料的信息定义。
(5)定义材料属性
这一步添加三个材料模型，分别是混凝土材料模型，受拉钢筋模型，受压钢筋和箍筋模型。
输入弹性模量，泊松比和屈服强度等值后完成材料属性定义。
（6）创建半个模型所有节点
部分节点图片
创建横截面上节点
半个模型节点
（7）创建受压钢筋和箍筋以及纵向受拉钢筋单元
这一步采用APDL命令完成，APDL是ANSYS Parametric Design Language 的缩写，即ANSYS参数化设计语言，它是一种类似FORTRAN的解释性语言，提供一般程序语言的功能。
箍筋模型
箍筋模型
钢筋骨架模型
（8）创建混凝土有限元模型
第一步，建立混凝土剖面并划分网格；
第二步，拉伸形成混凝土体单元。
混凝土有限元模型
第三部分：加载、求解
（1）边界条件
将Z=0的面设置成为对称面约束，将Y=0，Z=-1710的边界底部的节点沿X 和Y方向的自由约束。
对Y=300,Z=-540节点施加-10mm的Y方向位移荷载。
（2）选择大变形分析，开始子步数为200,输出所有子步上的全部结果项目。
（3）在非线性选项列表中设置最大平衡迭代次数为50，并设置收敛准则为力的二范数，收敛的相对容差为0.05。
第四部分：计算结果及分析
计算收敛曲线
梁的挠度等值线图
梁的主拉应力等值线图
梁的裂缝透视图
梁底部裂缝扩展示意图。
