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1、广西大学土木建筑工程学院硕士研究生课程论文（报告）课 程 结构非线性任课教师谢肖礼专业、年级结构工程（06级）研究生李大超钢筋混凝土简支梁的非线性分析摘要 ：钢筋混凝土有限元模型根据钢筋的处理方式主要分为三种，即分离式、分布式和组合式模型。裂缝的处理方式有离散裂缝模型、分布裂缝模型和断裂力学模型，后者目前尚 处研究之中，主要应用的是前两种。离散裂缝模型和分布裂缝模型各有特点，可根据不同的 分析目的选择使用。随着计算速度和网格自动划分的快速实现，离散裂缝模型又有被推广使 用的趋势。本论文采用大型通用有限元软件ANSYS，考虑混凝土的双重非线形，可以考虑分离式模型 （solid65+link8，认
2、为混凝土和钢筋粘结很好）。关键词：钢筋 混凝土 裂缝 ANSYS有限元混凝土与钢筋本构关系的确定混凝土的本构关系：可以分为线弹性、非线性弹性、弹塑性及其它力学理论等四类，其 中研究最多的是非线性弹性和弹塑性本构关系。混凝土的本构关系就是表示在外荷载作用下 的混凝土应力应变的响应关系。混凝土破坏准则从单参数到五参数模型达数十个模型，或借 用古典强度理论或基于试验结果等，各个破坏准则的表达方式和繁简程度各异，适用范围和 计算精度差别也比较大，给使用带来了一定的困难。在ANSYS里用solid65单元模拟。钢筋的本构关系：采用双线形随动强化模型模拟。在ANSYS里可以用Iink8单元模拟钢筋 的受力
3、。1.混凝土单元（solid65）说明：ANSYS中专门用于混凝土结构而开发的单元solid65,可以考虑混凝土的压碎和开裂。Solid65 单元为八节点六面体单元。在实际应用中要为solid65提供以下数据：1、材料模型Material model:设定混凝土与钢筋的弹性模量、泊松比、密度。2、实参数real con sta nts：在实参数中给定solid65单元在三维空间各个方向的钢筋材 料编号、位置、角度和配筋率。对于墙、板等钢筋分布比较密集而又均匀的构件形式，一般 使用这种整体式混凝土模型。3、数据表：在这里给定钢筋混凝土本构关系：对于钢筋材料，一般需要给定一个应力 应变关系的Dat
4、a Table譬如双折线等强硬化或随动硬化模型等。而对于混凝土模型，则需 要两个 Data Table 个是本构关系的 Data Table，比如使用 Multilinear kinematic hardening plasticity （MKIN）模型或者Drucker Prager plasticity模型等，用来定义混凝土的应力应 变关系。另一个是solid65特有的Concrete element data,用于定义混凝土的强度准则。2. LINK8单元说明：LINK8单元是有着广泛的工程应用杆单元，比如可以用来模拟：桁架、缆索、连杆、弹 簧等等。这种三维杆单元是杆轴方向的拉压单元，每
5、个节点具有三个自由度：沿节点坐标系 X、Y、Z方向的平动。就像在铰接结构中的表现一样，本单元不承受弯矩。本单元具有塑性、 蠕变、膨胀、应力刚化、大变形、大应变等功能丄INK10是一三维仅受拉或仅受压杆单元。问题的描述钢筋混凝土梁，横截面尺寸为bXh=200mmX400mm，梁的跨度为L=30m,支座宽 度取为100mm。梁内受拉纵筋3 20,架立筋釆用2 12,箍筋采用P8150,钢筋保护层厚度为25mm。对于梁中所釆用的钢筋，弹性模量为2.1 x 105 MPa，抗拉强度设计值为210MPa，泊松比为03。为避免产生应力集中，支座材料釆用弹性模量为2.1 x 105 MPa的刚性支座。混凝土
6、的弹性模量为9.36 x 103MPa，轴心抗拉强度设计值为15MPa。相对于峰值压应力的应变以及极限压应变分别为 0002和 00033。图 1 钢筋、混凝土各参数定义1）模型介绍有限元模型钢筋模型CRITINF2）裂缝开裂过程3）开裂前后混凝土应力变化过程1ANSYSNODAL SOLUTION *1丄 Q3TEp_1MAP. 23 2008SUE11:33:04TIME=.575X(AVG：iR5YS=0DIK =.914E-03SI-DJ =-.848E+07SIK =. 192E+07NODAL SOLUTION/MMSYSC|TEp=J_MAR 23 2008SUB =1911:3
7、3:25TIME=.6O75SX(AVG：iR5YS=0DMX =.00101851DI =-.917E+075IK =.224E+07-.848E+07 -.617E+07 -.386E+07 -.15-5E+O7 762-524-.TaSE+OTSOHH-OT270E+07-392169.192E+07-.917E+07 -.664E+07 -.410E+07 -.1-57E+07 968696-.7 9 OE+ 0 7-.-55 7E+07-.283E+07-298824.224E+07从弹性到极限状态钢筋应力变化过程LIME STOE5SSTEP=1SUB =27TIME = . 92
8、12.5LSI LSIMIN =-.101E+09ELEM=8696HAX =.153E+09ELEM=8580ANSYS-lOlZ+O!?-_442E+O8_l2E+08.586E+08_1.5E+O9-_74E+i：i8-_16ijE+i：i8. 4O4E+O8.9 6 8E+08ANLINE STRESSSTEP=1SUB =28TIME=.9925LSILSIMIN =-.21UE+09ELEM=8142MAX =.210E+09ELEM=8144-.210E+09117E+09-.233E+08.700E+08.163E+O9-.163E+09- . 70UE+08.233E+IJ8
9、.117E+09.210E+0!结论由钢筋混凝土梁正截面受弯破坏理论可知，钢筋混凝土受弯构件的破坏有两种情况：一 种是由弯矩引起的，破坏截面与构件的纵轴线垂直，称为沿正截面受弯破坏；另一种是由弯 矩及剪力共同引起的，破坏截面是倾斜的，称为沿斜截面受剪破坏。POST26TIMELSI混凝土梁底应力变化图(xlO*4J500045004000/350D/3 nonV 典 LU 2500./2000/150H1D0CI5000.2.4. 6.81.1.3.5.7.9TIME纵筋应力变化图受弯构件自加载至破坏过程中，随着荷载的增加及混凝土塑性变形的发展，对于正常 配筋的梁，其正截面上的应力及其分布和应
10、变发展过程可分为三个阶段。第一阶段一一构件未开裂，弹性工作阶段。构件开始承受荷载时，正截面上各点的应力及应变均很小，二者成比例关系，混凝土 基本上处于弹性工作阶段，钢筋和混凝土共同作用。由混凝土应力云图可以看出受拉区混凝 土没有超出其极限拉应力。由钢筋与混凝土应力比值也可以看出钢筋和混凝土处于共同工作 状态。随着荷载的继续增大，受拉边缘处混凝土表现处塑性性质，应变增长加速，达到极限 拉应力，由图梁底节点应力时程变化曲线可以看出，混凝土在开裂前应力不断增长，即将达 到 1.5MPa。第二阶段带裂缝工作阶段 随着荷载的继续增加，混凝土拉应力超过其抗拉极限强度，构件开裂。梁开裂后，受 拉区混凝土上移，由混凝土云图可以看出。钢筋应力变化时程曲线也可以看出，混凝土开裂 后钢筋应力出现突变。第三阶段钢筋塑流阶段当荷载再继续增加时，钢筋应力不断增大，最后达到极限拉应力210MPa。之后，钢筋 应力保持在屈服点，裂缝不断向上扩展，受压区混凝土应变不断增大，受压区应力图形更趋 丰满。
ANSYS钢筋混凝土简支梁的非线性分析
