搜索行業(yè)解決方案丨鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)開裂計(jì)算方案
2018-02-12 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
1.概述
開裂計(jì)算是工程中比較關(guān)心的問題,但一直是有限元分析的一個(gè)難點(diǎn),涉及到材料本構(gòu)、計(jì)算收斂性等諸多問題。ANSYS+CivilFEM提供了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)開裂計(jì)算功能,其中土木專用模塊CivilFEM提供的非線性混凝土計(jì)算適用于混凝土梁結(jié)構(gòu)的非線性計(jì)算(包括開裂),可以直接通過截面定義鋼筋,從而模擬鋼筋混凝土梁。但對(duì)于更一般的結(jié)構(gòu),用梁?jiǎn)卧獊砟M不一定合適,需要采用更一般的單元,ANSYS提供了專用的鋼筋混凝土實(shí)體單元SOLID65來模擬鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),該單元材料采用混凝土材料模型,可定義混凝土的開裂、壓碎準(zhǔn)則。另外可以定義鋼筋方向和體積率,可用來模擬鋼筋混凝土的破壞。本文將通過算例對(duì)ANSYS+CivilFEM開裂計(jì)算的效果進(jìn)行探討,并針對(duì)一些計(jì)算難點(diǎn)提出初步的解決方案。
2.CivilFEM開裂計(jì)算
CivilFEM適合于梁結(jié)構(gòu)開裂分析,另外為了與后面SOLID65單元開裂計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較,先探討了CivilFEM的開裂計(jì)算。
CivilFEM開裂計(jì)算需要考慮的要點(diǎn):
1、激活CivilFEM非線性模塊(~CFACTIV,NLC,Y),這是CivilFEM非線性計(jì)算的前提。
2、即使事實(shí)上為小變形,也必須打開幾何非線性效應(yīng)(NLGEOM,ON),否則無法激活非線性迭代。
3、通常應(yīng)該關(guān)閉求解控制(SOLCONTROL,OFF),由于CivilFEM非線性計(jì)算通過修改實(shí)常數(shù)的等效方法,自動(dòng)求解控制反而可能導(dǎo)致發(fā)散。
4、在收斂不好的情況下,可以增加子步數(shù)、打開自動(dòng)步長(zhǎng)(AUTOTS,ON)或可以給定一個(gè)比較大的迭代數(shù)(NEQIT,NUM),以改善收斂,線性搜索有時(shí)也可以改善收斂(LNSRCH,ON)。
5、有些情況下上述調(diào)整可能仍然無法保證收斂,這通常發(fā)生在一些開裂、受壓區(qū)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的臨界點(diǎn),尤其在動(dòng)力分析中更易出現(xiàn),可以結(jié)合兩個(gè)辦法克服,一是放松收斂準(zhǔn)則(CNVTOL),開裂分析狀態(tài)變化劇烈,往往是接近收斂但出現(xiàn)振蕩,放松收斂可以保證在較松的準(zhǔn)則下收斂,但可得到足以滿足要求的結(jié)果。另一個(gè)方法是在未收斂情況下仍然繼續(xù)下一步計(jì)算(NCNV,0)。不收斂往往發(fā)生在一些臨界點(diǎn),該命令可以保證跳過這些點(diǎn),而后續(xù)載荷步往往可以迅速收斂,只要結(jié)構(gòu)事實(shí)上具有平衡狀態(tài),沒有失效,則這種處理不會(huì)影響到總體結(jié)果,后面的動(dòng)力分析實(shí)例也可說明這一點(diǎn)。
以懸臂梁為例,該懸臂梁長(zhǎng)10m,截面如圖1所示,尺寸為0.6m×0.5m,鋼筋直徑20mm,混凝土保護(hù)層厚40mm?；炷羺?shù)(國際單位制):彈模E=28.848E9,泊松比m=0.2,密度D=2600,鋼筋參數(shù):E=200E9,m=0.3, D=7800。
圖1截面
2.1.CivilFEM開裂靜力分析
計(jì)算采用的命令流為文件crack_static_cv.txt。圖2為CivilFEM定義的截面,計(jì)算采用梁?jiǎn)卧猙eam54(在CivilFEM中beam54、beam44梁?jiǎn)卧梢赃M(jìn)行非線性計(jì)算),CivilFEM在定義梁?jiǎn)卧孛婧笞詣?dòng)計(jì)算beam54單元的實(shí)常數(shù),無需用戶輸入。圖3為實(shí)際形狀顯示的懸臂梁模型。
梁一端固支,一端施加Y向力,考慮圖4所示可變載荷,最大為1500N,最小為-1500N,計(jì)算變化載荷作用下梁的開裂,以驗(yàn)證CivilFEM開裂計(jì)算可以考慮這種交變載荷情況。
計(jì)算沒有考慮混凝土抗拉強(qiáng)度,并進(jìn)行靜力分析。
圖5為載荷達(dá)到1500N時(shí)固端截面混凝土部分的正應(yīng)力,紅色區(qū)域即為開裂區(qū)。圖6為相應(yīng)的鋼筋正應(yīng)力。混凝土不抗拉,受壓區(qū)混凝土最大壓應(yīng)力為-0.74MPa,受壓鋼筋應(yīng)力為-3.60MPa,受拉鋼筋應(yīng)力為15.27MPa,拉裂區(qū)應(yīng)力全部由鋼筋承擔(dān)。
圖7為載荷達(dá)到-1500N時(shí)固端截面混凝土部分的正應(yīng)力,圖8為相應(yīng)的鋼筋正應(yīng)力。受壓區(qū)混凝土最大壓應(yīng)力為-0.81MPa,受壓鋼筋應(yīng)力為-3.41MPa,受拉鋼筋應(yīng)力為22.40MPa,拉裂區(qū)應(yīng)力全部由鋼筋承擔(dān)。
從計(jì)算結(jié)果來看,載荷為1500N時(shí),梁下部拉裂,載荷為-1500N時(shí),梁上部拉裂,由于上部配筋數(shù)少于下部,所以上部拉裂時(shí)的下部混凝土壓力要大于下部拉裂時(shí)上部混凝土壓力。且開裂后混凝土仍然具有抗壓能力。這說明CivilFEM開裂計(jì)算可以考慮交變載荷作用。
圖9為載荷1500N時(shí)開裂計(jì)算得到的Y向位移圖,梁端最大為0.0063m,圖10為不考慮開裂的Y向位移圖,梁端為0.0017m(不考慮開裂的命令流為static_cv.txt),可以看到開裂使得位移增加了很多。
圖9考慮開裂位移(載荷:1500N)圖10 不考慮開裂位移(載荷:1500N)
2.2.CivilFEM開裂動(dòng)力分析
計(jì)算采用的命令流為文件crack_dynamic_cv.txt,懸臂梁載荷為圖11所示的地基加速度歷程,計(jì)算時(shí)間為1秒。
圖12為在這個(gè)動(dòng)力載荷作用下梁端點(diǎn)的Y向位移歷程,圖13為同一模型不考慮開裂情況下梁端點(diǎn)的Y向位移歷程(不考慮開裂的命令流為dynamic_cv.txt)。
計(jì)算結(jié)果非常合理,開裂后不僅位移大幅增加,而且由于剛度變小,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的振動(dòng)周期延長(zhǎng)
3.實(shí)體單元SOLID65開裂計(jì)算
對(duì)于不適于用梁?jiǎn)卧M的實(shí)體或其它鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),需要采用ANSYS的鋼筋混凝土單元SOLID65來模擬,SOLID65單元可以定義開裂、壓碎強(qiáng)度,也可以定義分布鋼筋,但分布鋼筋由于將鋼筋均質(zhì)化于單元內(nèi),不足以反映實(shí)際情況,可以用梁?jiǎn)卧驐U單元來模擬離散鋼筋,用約束方程(CEINTF)來建立鋼筋節(jié)點(diǎn)與混凝土單元的位移協(xié)調(diào)關(guān)系。本例采用BEAM188來模擬鋼筋。
SOLID65單元開裂計(jì)算需要考慮的要點(diǎn):
CivilFEM中考慮的一些事項(xiàng)仍然適用:
1、關(guān)閉求解控制(SOLCONTROL,OFF),根據(jù)測(cè)試結(jié)果,由于剛度變化劇烈,自動(dòng)求解控制情況下,收斂參數(shù)不易操縱,有時(shí)更易導(dǎo)致發(fā)散。
2、在收斂不好的情況下,可以增加子步數(shù)、打開自動(dòng)步長(zhǎng)(AUTOTS,ON)或可以給定一個(gè)比較大的迭代數(shù)(NEQIT,NUM),以改善收斂,線性搜索有時(shí)也可以改善收斂(LNSRCH,ON)。
3、放松收斂準(zhǔn)則(CNVTOL),以及在未收斂情況下仍然繼續(xù)下一步計(jì)算(NCNV,0),這兩個(gè)方法非常有效而且可以得到可信的結(jié)果,具體討論見第2節(jié)。
此外,SOLID65本身有一些參數(shù)可以增強(qiáng)收斂:
4、指定極小的分布鋼筋體積率(通過單元實(shí)常數(shù)),比如1e-6,這不會(huì)影響計(jì)算結(jié)果,但可以使得開裂后單元具有一個(gè)小剛度,不致奇異,從而增強(qiáng)收斂。
5、開裂單元指定適當(dāng)?shù)募袅鬟f系數(shù)(通過混凝土材料),一般張開裂紋0.1,閉合裂紋1.0,可以極大地提高收斂性。
6、指定開裂起始剛度松弛因子為1.0(通過混凝土材料),并設(shè)SOLID65單元的KEYOPT(7)=1,可以使得開裂后剛度逐漸減小至0,增強(qiáng)收斂。
7、給混凝土指定合理的抗拉強(qiáng)度(通過混凝土材料),可以極大地提高收斂性。
8、為了得到一個(gè)好的結(jié)果,在結(jié)構(gòu)主要受彎厚度方向單元不要太少,不要少于4層,8層以上比較好(如本例為8層)。
用SOLID65模擬混凝土,BEAM188單元模擬鋼筋,混凝土給定抗拉強(qiáng)度0.1MPa,對(duì)前述算例進(jìn)行開裂分析,并進(jìn)行比較。
3.1.SOLID65開裂靜力分析
計(jì)算采用的命令流為文件crack_static_65.txt,圖14為計(jì)算模型,鋼筋節(jié)點(diǎn)與混凝土節(jié)點(diǎn)之間建立位移約束方程,梁端部建立剛性區(qū)來施加載荷。圖15為鋼筋分布圖,混凝土采用透明來直觀顯示結(jié)構(gòu)。
圖16為載荷達(dá)到1500N時(shí)混凝土梁軸向正應(yīng)力,固端紅色區(qū)域中除了小部分為小于抗拉強(qiáng)度的受拉區(qū)外,大部分為開裂區(qū)。圖17為相應(yīng)的鋼筋正應(yīng)力。受壓區(qū)混凝土最大壓應(yīng)力為-0.78MPa,受壓鋼筋應(yīng)力為-3.60MPa,受拉鋼筋應(yīng)力為15.7MPa,拉裂區(qū)應(yīng)力全部由鋼筋承擔(dān)。與前面CivilFEM的計(jì)算結(jié)果比較可以看出,二者是非常接近的,雖然本例中混凝土指定了0.1MPa的抗拉強(qiáng)度,但由于抗拉強(qiáng)度很小,所以計(jì)算結(jié)果變化不大,但抗拉強(qiáng)度的存在卻可以大大提高SOLID65的收斂性而且更接近實(shí)際。
圖18為載荷達(dá)到-1500N時(shí)混凝土梁軸向正應(yīng)力,圖19為相應(yīng)的鋼筋正應(yīng)力。受壓區(qū)混凝土最大壓應(yīng)力為-0.89MPa,受壓鋼筋應(yīng)力為-3.62MPa,受拉鋼筋應(yīng)力為23.4MPa,拉裂區(qū)應(yīng)力由鋼筋承擔(dān)。計(jì)算結(jié)果同樣與CivilFEM非常接近。
圖20為載荷1500N時(shí)開裂計(jì)算得到的Y向位移圖,梁端最大為0.0062m,圖21為不考慮開裂的Y向位移圖,梁端為0.0017m(將抗拉強(qiáng)度設(shè)置為無窮大即可不考慮開裂),結(jié)果與CivilFEM相同,開裂使得位移增加了很多。
SOLID65單元可以繪圖表示開裂區(qū),圖22、23為載荷1500N和-1500N時(shí)開裂區(qū)分布。加載過程中開裂區(qū)域的擴(kuò)展過程見動(dòng)畫crack_static.avi。
3.2.SOLID65開裂動(dòng)力分析
對(duì)第2.2節(jié)同樣的問題用SOLID65和BEAM188單元進(jìn)行動(dòng)力分析,計(jì)算采用的命令流為文件crack_dynamic_65.txt。。
圖24為在動(dòng)力載荷作用下梁端一點(diǎn)的Y向位移歷程,圖25為同一模型不考慮開裂情況下梁端一點(diǎn)的Y向位移歷程(將抗拉強(qiáng)度設(shè)置為無窮大即可不考慮開裂)。
計(jì)算結(jié)果與前面CivilFEM結(jié)果很接近,只是由于考慮了抗拉強(qiáng)度,所以開裂后的峰值位移要稍小一些。
圖26為時(shí)間為1秒時(shí)開裂分布圖,圖27為開裂狀態(tài),灰色部分沒有開裂,其余為開裂部分,不同顏色代表不同張開度,紅顏色表示完全閉合,籃顏色表示最大張開。振動(dòng)過程中開裂區(qū)域的擴(kuò)展過程見動(dòng)畫crack_dynamic1.avi和crack_dynamic2.avi。
4.結(jié)論
鋼筋混凝土開裂分析中,針對(duì)不同的結(jié)構(gòu)可采用不同的ANSYS技術(shù),對(duì)于梁結(jié)構(gòu),可以直接用CivilFEM非線性混凝土模塊進(jìn)行開裂計(jì)算,快速而準(zhǔn)確。對(duì)于不適于梁的結(jié)構(gòu),可以采用SOLID65單元和BEAM188單元以及耦合方程技術(shù)進(jìn)行任意實(shí)體結(jié)構(gòu)的開裂分析。
通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)置,可以保證計(jì)算收斂,得到合理的結(jié)果。
本文算例比較的結(jié)果不僅反映了方法可行,而且說明精度也是足夠的。
懸臂梁由于其特殊性,是屬于開裂計(jì)算中比較難以處理的一種結(jié)構(gòu),這里得到了比較合理的結(jié)果,這說明對(duì)于其它類型的結(jié)構(gòu),ANSYS技術(shù)同樣是可以處理的。
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