ANSYS--理论基础(混凝土及钢筋单元)

一、钢筋混凝土模型

1、Solid65单元——模拟混凝土和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，可以模拟混凝土中的加强钢筋（或玻璃纤维、型钢等）；普通8节点三维等参元，增加针对混凝土材料参数和整体式钢筋模型；

基本属性：

——可以定义3种不同的加固材料；

——混凝土具有开裂、压碎、塑性变形和蠕变的能力; —-加强材料只能受拉压,不能承受剪切力。 三种模型：

分离式模型——把混凝土和钢筋作为不同的单元来处理，各自划分单元,或钢筋视为线单元（杆件link－spar8或管件pipe16,20）；钢筋和混凝土之间可以插入粘结单元来模拟界面的粘结和滑移；

整体式模型——将钢筋分布于整个单元中，假定混凝土和钢筋粘结很好,并把单元视为连续均匀材料；

组合式模型—-分层组合式：在横截面上分成许多混凝土层和若干钢筋层，并对截面的应变作出某些假设（如应变沿截面高度为直线）；或采用带钢筋膜的等参单元。

2、本构模型

线性弹性、非线性弹性、弹塑性等；强度理论——Tresca、Von Mises、Druck—Prager等；

3、破坏准则

单轴破坏（Hongnested等）、双轴破坏（修正的莫尔库仑等）、三轴破坏（最大剪应力、Druck—Prager等），三参数、五参数模型；

混凝土开裂前，采用Druck—Prager屈服面模型模拟塑性行为；开裂失效准则,采用William-Warnke五参数强度模型.

4、基本数据输入

混凝土：ShrCf-Op—张开裂缝的剪切传递系数,0~1 ShrCf—Ol—闭合裂缝的剪切传递系数，0。9～1 UnTensSt—抗拉强度，

UnCompSt—单轴抗压强度,（若取-1，则以下不必要） BiCompSt—双轴抗压强度， HydroPrs—静水压力,

BiCompSt—静水压力下的双轴抗压强度， UnCompSt-静水压力下的单轴抗压强度, TenCrFac—拉应力衰减因子。 加固材料（材料号、体积率、方向角）

二、其他材料模型

在Ansys中，可在Help菜单中查阅各种不同单元的特性.

例1、矩形截面钢筋混凝土板在中心点处作用－2mm的位移,分析板的受力、

变形、开裂（采用整体模型分析法).材料性能如下:

1、混凝土弹性模量E=24GPa，泊松比ν=0。2,单轴抗拉强度ft=3。1125MPa，

裂缝张开传递系数0.35，裂缝闭合传递系数1，关闭压碎开关；

2、钢筋为双线性随动硬化材料，弹性模量E=200GPa,泊松比ν=0.25,屈服应力σ0。2＝360MPa，硬化斜率为20000，配筋率为0。01，双向配筋；

矩形截面尺寸：1.0×1.0×0。1m3。 首先建模：

1）取模型名为RC_Boad; 2）结构分析类型为Structural;

3）单元类型，选择SOLID65单元为1号单元，用于混凝土模型，并在其Opitions对话框中的K5和K6下拉选项中，选择Integration Pts。为使计算能顺利收敛，可定义SOLID45单元为2号单元，用于支座处增加的钢性垫片模型.

4)定义实常数：选择SOLID65单元，在对话框中填入相关数据；

5）定义材料属性：先定义混凝土的线性和非线性特性，

再定义钢筋的线性和非线性特性。

6)建立板的几何模型（或及垫片的几何模型）;

网格划分：

加载并求解：

1）将角点设置为简支（或将支座钢性垫片底面的所有自由度约束），在板的中心节点施加Z方向－2mm的位移;

2）设置分析选项:

查看计算结果及分析:（无垫片结果） 第一主应力等值线:

裂纹分布：

有垫片结果

钢筋平均等效应力：

例2、钢筋混凝土梁开裂分析

钢筋混凝土梁在弯矩作用下，分析梁底部开裂、钢筋的最大拉应力和混凝土的最大压应力。

材料性能：

混凝土弹性模量E=20×106kPa，泊松比ν=0，单轴抗拉强度ft=0MPa； 钢筋弹性模量E=300×106kPa，泊松比ν=0。3; 矩形截面尺寸:宽5。0×高6。0m2,钢筋面积A=0。15m2. 作用荷载：纯弯矩M=600kN。m。 1、建模

1)定义结构分析类型:Structural；

2）定义单元类型：混凝土—SOLID65;钢筋—LINK8；PIPE16为虚拟单元，描述节点的转动。

3）定义实常数：

对LINK8单元，在对话框的AREA中输入0。15；

对PIPE16

4)定义材料属性：

5）建立几何模型（取长度为2）

2、划分网格 1）划分钢筋网格

选择属性

划分单元数

划分网格

2）划分虚拟单元网格

3）划分体网格

3、加载和求解

为了使z=2的截面受力后仍为平面，同时使节点能有转动自由度，应对此截面上的节点建立如下8个约束方程：

UZ4UZ73Rotx70 UZ1UZ113Rotx110 UZ6UZ71.5Rotx70 UZ12UZ111.5Rotx110 UZ8UZ71.5Rotx70 UZ10UZ111.5Rotx110 UZ5UZ73Rotx70 UZ9UZ113Rotx110

分别输入以上8个方程: 第一个方程:

第八个方程:

在z=0面施加全位移约束：

约束虚拟杆单元的绕Y、Z方向的转动：

施加弯矩于虚拟杆单元上（节点7和11上个300）:

求解选项设置：

求解:

计算结果： 拉、压应力：

变形：

裂纹：

读取数据(混凝土最大压应力及钢筋拉应力)：

结果显示钢筋拉应力STL和混凝土的抗压应力SCON：

例3：预应力钢筋混凝土分析

ANSYS对预应力的处理：

1)分离式（discrete）—以荷载的形式取代预应力钢筋的作用,如等效荷载法；简单，但张拉过程无法模拟。

2）整体式(smeared）—用Link单元模拟预应力钢筋，如降温法、初始应变法。可模拟整个过程，但建模复杂。

某预应力矩形截面混凝土简支梁:

混凝土标号为C45，E=33。5GPa，ν=0。2；预应力钢筋为高强度钢筋束,E=200GPa，泊松比ν=0.3, 线膨胀系数α＝2e-5,预应力σp=1500MPa;

截面尺寸:梁长4.0m，高2。0m,宽1。2m；力筋面积A=6126mm2，矩底面距离20cm，居中布置。

用降温法分析，预应力对应的温度变化为ΔT=σ/E/α=375。

12002002000

1、建模

1)工程名prestress; 2)定义分析类型:Structural

3）定义单元类型：Link8为1号单元（钢筋单元），SOLID65为2号单元（混凝土单元）,PLANE42为3号单元（用于划分面基础网格）.

4）定义实常数：在LINK8对话框中的AREA填入6126；其他单元不需.

5）定义材料属性

先定义钢筋的线性参数，再定义其膨胀特性：

定义混凝土参数:

6)建立几何模型(采用直接建模法）

2、划分网格

划分混凝土网格：

划预应力筋：

划分预应力筋网格：

合并节点编号、重排序：

3、加载、求解 位移约束：

施加温度荷载：

设置分析选项:

求解。

4、结果分析