利用AnsysSolid65单元分析钢筋混凝土结构.docVIP

混凝土是目前应用最为广泛的建筑材料之一。为了解混凝土结构的受力机理和破坏过程，在大型有限元软件ANSYS中，专门设置了Sdid65单元来模拟混凝土或钢筋混凝土结构，提供了很多缺省参数，从而为使用者提供了很大的方便。 　　1 Solid65单元 　　Sdid65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。它可以模拟混凝土中的加强钢筋(或玻璃纤维、型钢等)，以及材料的拉裂和压溃现象。 　　1.1 几点假设 　　1)只允许在每个积分点正交的方向开裂。 　　2)积分点上出现裂缝之后，通过调整材料属性来模拟开裂。裂缝的处理形式上，采用“分布裂缝”而非“离散裂缝”。 　　3)假设混凝土最初是各向同性材料。 　　4)除了开裂和压碎之外，混凝土也会塑性变形，常采用Drucker-Prager屈服面模型模拟其塑性行为的应力应变关系。在这种情况下，一般在假设开裂和压碎之前，塑性变形已经完成。 　　1.2 使用方法 　　Solid65单元本身包含两部分：1)和一般的8节点空间实体单元Sdid45相同的实体单元模型，但是加入了混凝土的三维强度准则。2)由弥散钢筋单元组成的整体式钢筋模型，它可以在三维 空间的不同方向分别设定钢筋的位置、角度、配筋率等参数。 　　在实际应用中，一般需要为Sdid65单元提供以下数据： 　　1)实常数real constants：在实常数中给定Sdid65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钢筋混凝土模型。由于在实际工程中的箍筋布置一般不均匀，所以在建模时可以用下面方法改善箍筋建模时的质量：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Sdid65单元。这样就可以将钢筋区域缩小，接近真实的工程情况。 　　2)材料模型Material Model：在这里设定混凝土和钢筋材料的弹性模量、泊松比、密度。 　　3)数据表Data Table：在这里给定钢筋和混凝土的本构关系；对于钢筋材料，一般需要给定一个应力应变关系的Data 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Da ta Table。一是本构关系的Data Table，比如使用多线性随动强化塑性模型(Multilinear kinematic hardening plasticity模型) 或者D-P塑性模型(Drucker-Prager plasticity模型)等，用来定义混凝土的应力应变关系。二是Sdid65特有的Concrete element da.ta，用于定义混凝土的强度准则，譬如单向和多向拉压强度等等。 　　由于混凝土材料的复杂性，混凝土的强度准则有考虑1个～5个参数的多种方法。一般来说，强度准则的参数越多，对混凝土强度性能的描述就越准确。Sdid65单元采用William-Wamke5参 数强度模型，其中需要的材料参数有：单轴抗拉强度，单轴、双轴抗压强度，静水压力，在静水压力作用下的双轴、单轴抗压强度。 　　1.3 混凝土与钢筋的组合 　　混凝土与钢筋组合是最常见的一种组合方式，一般说来，可供选择的方法有以下三种。 　　1.3.1 整体式模型 　　直接利用带筋的Solid65提供的实参数建模，其优点是建模方便，分析效率高；缺点是不适用于钢筋分布较不均匀的区域，且得到钢筋内力比较困难。主要用于有大量钢筋且钢筋分别较均匀的构件中，譬如剪力墙或楼板结构。 　　1.3.2 分离式模型，位移协调 　　利用空间杆单元Link 8或空间管单元Pipe20建立钢筋模型，和混凝土单元Solid65共用节点。其优点是建模比较方便，可以任意布置钢筋并可直观获得钢筋的内力。缺点是建模比整体式模型要复杂，需要考虑共用节点的位置，且容易出现应力集中拉坏混凝土的问题。 　　1.3.3 分离式模型，界面单元 　　前两种混凝土和钢筋组合方法假设钢筋和混凝土之间位移完全协调，没有考虑钢筋和混凝土之间的滑移，而通过加入界面单元的方法，可以进一步提高分析的精度。同样利用空间杆单元Link 8或空间管单元Pipe20建立钢筋模型，不同的是混凝土单元和钢筋单元之间利用弹簧模型来建立连接。不过，由于一般钢筋混凝土结构中钢筋和混凝土之间都有比较良好的锚固，钢筋和混凝土之间滑移带来的问题不是很严重，一般不必考虑。 　　2 算例分析 　　矩形截面钢筋混凝土简支梁，配有受拉主筋、受压钢筋、箍筋，载荷以及截面尺寸如图1和图2所示，利用ANSYS分析此梁受力情况。 　　2.1 材料性能 　　混凝土弹性模量E：2.4e4 MPa，泊松比 =0.2，单轴抗拉强度ft=3，裂缝张