2022年钢筋混凝ansys算例 .pdf
钢筋混凝土结构开裂计算方案1概述开裂计算是工程中比较关心的问题，但一直是有限元分析的一个难点，涉及到材料本构、计算收敛性等诸多问题。ANSYS CivilFEM提供了钢筋混凝土结构开裂计算功能，其中土木专用模块CivilFEM提供的非线性混凝土计算适用于混凝土梁结构的非线性计算（包括开裂） ，可以直接通过截面定义钢筋，从而模拟钢筋混凝土梁。但对于更一般的结构，用梁单元来模拟不一定合适，需要采用更一般的单元，ANSYS 提供了专用的钢筋混凝土实体单元SOLID65 来模拟钢筋混凝土结构，该单元材料采用混凝土材料模型，可定义混凝土的开裂、压碎准则。 另外可以定义钢筋方向和体积率，可用来模拟钢筋混凝土的破坏。本文将通过算例对 ANSYS CivilFEM开裂计算的效果进行探讨，并针对一些计算难点提出初步的解决方案。2CivilFEM 开裂计算CivilFEM适合于梁结构开裂分析，另外为了与后面SOLID65 单元开裂计算结果进行比较，先探讨了CivilFEM的开裂计算。 CivilFEM开裂计算需要考虑的要点：1、激活 CivilFEM非线性模块（ CFACTIV ,NLC,Y ） ，这是 CivilFEM非线性计算的前提。2、即使事实上为小变形，也必须打开几何非线性效应（NLGEOM,ON） ，否则无法激活非线性迭代。3、通常应该关闭求解控制（SOLCONTROL,OFF） ，由于CivilFEM非线性计算通过修改实常数的等效方法，自动求解控制反而可能导致发散。4、在收敛不好的情况下，可以增加子步数、打开自动步长（AUTOTS,ON ）或可以给定一个比较大的迭代数（NEQIT,NUM）,以改善收敛，线性搜索有时也可以改善收敛（LNSRCH,ON ） 。5、有些情况下上述调整可能仍然无法保证收敛，这通常发生在一些开裂、受压区状态转换的临界点，尤其在动力分析中更易出现，可以结合两个办法克服，一是放松收敛准则（CNVTOL ） ，开裂分析状态变化剧烈，往往是接近收敛但出现振荡，放松收敛可以保证在较松的准则下收敛，但可得到足以满足要求的结果。另一个方法是在未收敛情况下仍然继续下一步计算（NCNV ,0） 。不收敛往往发生在一些临界点，该命令可以保证跳过这些点，而后续载荷步往往可以迅速收敛，只要结构事实上具有平衡状态，没有失效，则这种处理不会影响到总体结果，后面的动力分析实例也可说明这一点。以悬臂梁为例，该悬臂梁长10m，截面如图1 所示，尺寸为0.6m0.5m，钢筋直径20mm，混凝土保护层厚40mm。混凝土参数（国际单位制）：弹模 E=28.848E9, 泊松比=0.2, 密度 D=2600 ， 钢筋参数：E=200E9, =0.3, D=7800 。2.1 CivilFEM开裂静力分析计算采用的命令流为文件crack_static_cv.txt。图 2 为 CivilFEM定义的截面， 计算采用梁单元beam54 （在 CivilFEM中 beam54、beam44梁单元可以进行非线性计算），CivilFEM在定义梁单元截面后自动计算beam54 单元的实常数，无需用户输入。图3 为实际形状显示的悬臂梁模型。图 1 截面名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 3 页 - - - - - - - - - 梁一端固支，一端施加Y 向力，考虑图4 所示可变载荷，最大为1500N，最小为 -1500N ，计算变化载荷作用下梁的开裂，以验证 CivilFEM开裂计算可以考虑这种交变载荷情况。计算没有考虑混凝土抗拉强度，并进行静力分析。图 5 为载荷达到1500N 时固端截面混凝土部分的正应力，红色区域即为开裂区。图6 为相应的钢筋正应力。混凝土不抗拉，受压区混凝土最大压应力为 -0.74MPa，受压钢筋应力为-3.60MPa，受拉钢筋应力为15.27MPa， 拉裂区应力全部由钢筋承担。图 7 为载荷达到 -1500N 时固端截面混凝土部分的正应力，图8 为相应的钢筋正应力。受 压区 混凝土 最大 压应力 为 -0.81MPa ，受压 钢筋 应力 为 -3.41MPa， 受拉 钢筋 应力为22.40MPa， 拉裂区应力全部由钢筋承担。图 2 截面定义图 3 有限元模型图 4 可变载荷图 5 固端混凝土正应力（载荷：1500N）图 6 固端钢筋正应力（载荷：1500N）图 7 固端混凝土正应力（载荷：-1500N）图 8 固端钢筋正应力（载荷：-1500N）名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 3 页 - - - - - - - - - 从计算结果来看，载荷为1500N 时，梁下部拉裂，载荷为-1500N 时，梁上部拉裂，由于上部配筋数少于下部，所以上部拉裂时的下部混凝土压力要大于下部拉裂时上部混凝土压力。且开裂后混凝土仍然具有抗压能力。这说明 CivilFEM开裂计算可以考虑交变载荷作用。图 9 为载荷 1500N 时开裂计算得到的Y 向位移图， 梁端最大为0.0063m，图 10 为不考虑开裂的 Y 向位移图，梁端为0.0017m（不考虑开裂的命令流为static_cv.txt） ，可以看到开裂使得位移增加了很多。2.2 CivilFEM开裂动力分析计算采用的命令流为文件crack_dynamic_cv.txt ，悬臂梁载荷为图11 所示的地基加速度历程，计算时间为1 秒。图 12 为在这个动力载荷作用下梁端点的Y 向位移历程，图13 为同一模型不考虑开裂情况下梁端点的Y 向位移历程（不考虑开裂的命令流为dynamic_cv.txt ） 。计算结果非常合理， 开裂后不仅位移大幅增加， 而且由于刚度变小，导致结构的振动周期延长。图 9 考虑开裂位移（载荷：1500N）图 10 不考虑开裂位移（载荷：1500N）图 11 加速度历程图 12 梁端位移历程（考虑开裂）图 13 梁端位移历程（不考虑开裂）名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 3 页 - - - - - - - - -
