ANSYS应用实例：钢筋混凝土简支梁数值模拟
基于ANSYS的钢筋混凝土简支梁桥极限承载力分析研究
基于ANSYS的钢筋混凝土简支梁桥极限承载力分析研究一、本文概述随着现代工程技术的飞速发展，钢筋混凝土简支梁桥作为桥梁工程中的重要结构形式，其极限承载力分析对于确保桥梁的安全性和稳定性具有至关重要的意义。
本文旨在通过基于ANSYS的数值模拟方法，深入研究钢筋混凝土简支梁桥的极限承载力，以期为实际工程应用提供理论依据和技术支持。
本文首先介绍了钢筋混凝土简支梁桥的基本结构特点和应用现状，阐述了进行极限承载力分析的必要性。
接着，详细介绍了ANSYS 有限元分析软件在桥梁工程中的应用及其优势，为后续的研究工作奠定了理论基础。
在研究方法上，本文采用ANSYS软件建立钢筋混凝土简支梁桥的数值模型，通过施加不同的荷载工况，模拟桥梁在实际运营过程中的受力状态。
在此基础上，对桥梁的极限承载力进行分析，探究其破坏模式、应力分布及变形特征。
本文还将考虑不同因素（如材料性能、截面尺寸、配筋方式等）对桥梁极限承载力的影响，以期获得更为全面和准确的分析结果。
本文将对所得的研究结果进行总结，提出钢筋混凝土简支梁桥极限承载力分析的关键问题和改进措施，为实际工程设计和施工提供有益的参考和借鉴。
通过本文的研究，不仅能够加深对钢筋混凝土简支梁桥极限承载力的认识和理解，还能够推动桥梁工程领域的科技进步和创新发展。
二、钢筋混凝土简支梁桥的基本原理钢筋混凝土简支梁桥，作为桥梁工程中的一种基本结构形式，其基本原理主要基于材料力学和结构力学的理论。
简支梁桥是一种静定结构，其特点是梁的两端搁置在支座上，梁端无水平推力，当梁上作用有荷载时，梁内产生的弯矩和剪力仅与荷载的大小和分布有关，而与两端支承处的约束情况无关。
在钢筋混凝土简支梁桥中，混凝土主要承担压应力，而钢筋则主要承受拉应力。
这种组合使得钢筋混凝土结构既具有混凝土的高抗压强度，又具有钢筋的高抗拉强度，从而实现了优势互补，提高了结构的整体承载能力。
钢筋混凝土简支梁桥的设计还需考虑桥梁的使用功能、荷载等级、材料性能、施工工艺等因素。
如何在ANSYS中模拟钢筋混凝土的计算模型
如何在ANSYS中模拟钢筋混凝土的计算模型最近做了点计算分析，结合各论坛关于这方面的讨论，就一些问题探讨如下，不当之处敬请指正。
一、关于模型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。
考虑钢筋和混凝土之间的粘结和滑移，则采用引入粘结单元的分离式模型；假定混凝土和钢筋粘结很好，不考虑二者之间的滑移，则三种模型都可以；分离式和分布式模型适用于二维和三维结构分析，后者对杆系结构分析比较适用。
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。
就ANSYS而言，她可以考虑分离式模型(solid65+link8，认为混凝土和钢筋粘结很好，如要考虑粘结和滑移，则可引入弹簧单元进行模拟，比较困难！)，也可采用分布式模型(带筋的solid65)。
而其裂缝的处理方式则为分布裂缝模型。
二、关于本构关系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，其中不乏实用者。
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。
就ANSYS而言，其问题比较复杂些。
1 ANSYS混凝土的破坏准则与屈服准则是如何定义的？采用tb,concr,matnum则定义了W-W破坏准则(failure criterion)，而非屈服准则(yield criterion)。
W-W破坏准则是用于检查混凝土开裂和压碎用的，而混凝土的塑性可以另外考虑（当然是在开裂和压碎之前）。
理论上破坏准则(failure criterion)和屈服准则(yield criterion)是不同的，例如在高静水压力下会发生相当的塑性变形，表现为屈服，但没有破坏。
ANSYS 钢筋混凝土建模
ANSYS 钢筋混凝土建模一、简介钢筋混凝土有限元建模的方法与结果评价（前后处理），是对钢筋混凝土结构进行数值模拟的重要步骤，能否把握模型的可行性、合理性，如何从计算结果中寻找规律，是有限元理论应用于实际工程的关键一环。
Blackeage以自己做过的一组钢筋混凝土暗支撑剪力墙的数值模拟为例，从若干方面提出一些经验与建议。
希望大家一起讨论、批评指正(******************.cn)。
程序：ANSYS单元：SOLID65、BEAM188建模方式：分离暗支撑剪力墙结构由北京工业大学曹万林所提出，简言之就是一种在普通钢筋配筋情况下，加配斜向钢筋的剪力墙结构。
二、单元选择以前经常采用的钢筋混凝土建模方法是通过SOLID65模拟混凝土，通过SOLID65的实常数指定钢筋配筋率，后来发现这种整体式的模型并不理想，而且将钢筋周围的SOLID65单元选择出来，再换算一个等效的配筋率，工作量也并不小。
最关键的是采用整体式模型之后，得不出什么有意义的结论，弄一个荷载-位移曲线出来又和实验值差距比较大。
只有计算的开裂荷载与实验还算是比较接近，但这个手算也算得出来的东西费劲去装模作样的建个模型又有什么意义？所以，这次我尝试采用分离式的模型，钢筋与混凝土单元分别建模，采用节点共享的方式。
建模时发现，只要充分、灵活地运用APDL的技巧，处理好钢筋与混凝土单元节点的位置，效率还是很高的。
暗支撑剪力墙数值模型看过很多的资料，分离式模型是用LINK8与SOLID65的组合方式，这样做到是非常直观，因为LINK8是spar类型的单元，每个节点有3个自由度，这与SOLID65单元单节点自由度数量是一致的。
但是问题也就由此产生，当周围的混凝土开裂或是压碎时，SOLID65将不能对LINK8的节点提供足够地约束（如下图箭头方向），从而导致总刚矩阵小主元地出现影响计算精度，或者干脆形成瞬变体系导致计算提前发散。
LINK8+SOLID65的问题如果采用梁单元模拟暗钢筋，就算包裹钢筋的混凝土破坏了，钢筋单元本身仍可对连接点提供一定的侧向刚度（其实钢筋本身就是有一定抗弯刚度的），保证计算进行下去。
ANSYS分析钢筋混凝土结构技巧及实例详解
0 前言利用ANSYS分析钢筋混凝土结构时，其有限元模型主要有分离式和整体式两种模型。
这里结合钢筋混凝土材料的工作特性，从模型建立到非线性计算再到结果分析的全过程讲述了利用ANSYS进行钢筋混凝土结构分析的方法与技巧，并以钢筋混凝土简支梁为例，采用分离式有限元模型，说明其具体应用。
1 单元选取与材料性质1. 1 混凝土单元ANSYS中提供了上百种计算单元类型,其中Solid65单元是专门用于模拟混凝土材料的三维实体单元。
该单元是八节点六面体单元,每个节点具有三个方向的自由度( UX , UY , UZ) 。
在普通八节点线弹性单元Solid45 的基础上,该单元增加了针对于混凝土的材性参数和组合式钢筋模型,可以综合考虑包括塑性和徐变引起的材料非线性、大位移引起的几何非线性、混凝土开裂和压碎引起的非线性等多种混凝土的材料特性。
使用Solid65 单元时,一般需要为其提供如下数据:1)、实常数(Real Constants) :定义弥散在混凝土中的最多三种钢筋的材料属性,配筋率和配筋角度。
对于墙板等配筋较密集且均匀的构件,一般使用这种整体式钢筋混凝土模型。
如果采用分离式配筋,那么此处则不需要填写钢筋实常数。
2)、材料模型(Material Model) :在输入钢筋和混凝土的非线性材料属性之前,首先必须定义钢筋和混凝土材料在线弹性阶段分析所需的基本材料信息,如:弹性模量,泊松比和密度。
3)、数据表(Data Table) :利用数据表进一步定义钢筋和混凝土的本构关系。
对于钢筋材料,一般只需要给定一个应力应变关系的数据表就可以了,譬如双折线等强硬化(bilinear isotropic hardening)或随动硬化模型( kinematic hardening plasticity)等。
而对于混凝土模型,除需要定义混凝土的本构关系外,还需要定义混凝土材料的破坏准则。
在ANSYS中,常用于定义混凝土本构关系的模型有:1)多线性等效强化模型(Multilinear isotropic hardening plas2ticity ,MISO模型)，MISO模型可包括20条不同温度曲线，每条曲线可以有最多100个不同的应力-应变点;2)多线性随动强化模型(Multilinear kinematic hardening plas2ticity ,MKIN 模型)，MKIN 模型最多允许5个应力-应变数据点;3)Drucker2Prager plasticity(DP)模型。
钢筋混凝土简支梁模拟计算 ansys命令流
lsel,r,loc,y,0
dl,all,,uy
dl,all,,uz
lsel,all
lsel,s,loc,z,3பைடு நூலகம்00
lsel,r,loc,y,0
dl,all,,uy
lsel,all
ksel,s,loc,x,0
ksel,r,loc,y,0
!方法：分离式；solid65和link8
!材料：混凝土采用concr和钢筋为弹性材料，但不考虑压碎
!---------------------------------------------------
!为方便，假定钢筋置于梁底两侧.
!===================================================
lesize,all,,,20
lmesh,all
lsel,s,loc,z,0
lesize,all,,,4
vsel,all
vatt,1,1,1
mshape,0,3d
mshkey,1
vmesh,all
allsel,all
finish
/solu
!施加约束
/config,nres,2000
/prep7
!定义单元及其材料特性等
rd0=20.0 !钢筋直径
et,1,solid65
et,2,link8
mp,ex,1,33e3
mp,prxy,1,0.20
r,1
hntra=28
hntrl=2.6
tb,concr,1
/post1
pldisp,1
ANSYS数值仿真技术对《钢筋混凝土与砌体结构》课程的教学应用研究
ANSYS数值仿真技术对《钢筋混凝土与砌体结构》课程的教学应用研究钢筋混凝土与砌体结构作为土木工程专业的一门主干课程，具有计算公式多、计算量大、知识面广、构造要求多等特点，一直以来是教学的难点。
提出采用数值模拟仿真技术应用于教学过程中，帮助分析复杂的结构受力情况。
实践证明，将数值模拟仿真技术应用与课程中，能有效提高教学质量，提高学生思维应变和创新能力。
标签：ANSYS；钢筋混凝土结构；有限元《钢筋混凝土与砌体结构》作为土木工程专业的一门主干课程，具有计算公式多、计算量大、知识面广、构造要求多等特点，一直以来是教学的难点。
土木工程是一门与试验密切挂钩的学科，在专业教学中涉及到了很多试验，例如：土力学试验，建筑材料试验，材料力学试验，结构检测试验等，许多课程都在这些试验过程和结果中得到总结和验证，《钢筋混凝土与砌体结构》课程就是典型，在教学过程中，涉及材料性能，受力原理、结构构造，并且涉及简单工程实例的设计方法原理施工图绘制等众多知识点，对构件和结构进行试验分析得到理论结果，对这门课程的教学是非常有帮助的，并且这一课程的教学效果直接影响学生的实际工程分析能力以及工程创新能力的培养，然而普通独立院校常常受到试验条件缺乏，设备落后的影响，导致教学模式固化，这一课程的试验教学较少，严重影响学生理解和实践能力的培养，导致学生缺乏工程意识。
国内外常采用数值模拟仿真软件应用于工程实例，帮助分析复杂的结构受力情况，这种仿真软件是融结构、热力学、流体、电磁和声学等于一体的大型通用有限元分析软件，常应用在土木工程中，包括大坝工程、隧道及地下工程、桥梁结构工程、房屋建筑工程、边坡工程以及基础工程，分析各类工程结构的力学行为和在工程结构施做和使用过程中的力学行为的有限元分析过程，包括2D和3D 的分析，其在实际工程中的应用是非常常见和成熟的。
近些年，提出了将数值模拟仿真软件应用于教学，将计算机辅助教学作为高校教学改革的发展方向，解决试验条件缺乏的困境。
钢筋混凝土梁ansys分析附命令流
钢筋混凝⼟梁ansys分析附命令流钢筋混凝⼟⾮线性分析2015⼤作业上海交通⼤学陈明1、参数选择梁的截⾯宽度为200mm，上部配置2Φ8受压筋，混凝⼟的净保护层厚度为25 mm（从纵向钢筋外边缘算起），箍筋两端区采⽤8@100的双肢箍，中间区取8@200 双肢箍1）梁的截⾯⾼度选300mm；2）两加载间的距离选1000mm；3）混凝⼟选C30；4）纵向受拉钢筋配筋选218；2、描述选⽤的有限元模型及单元的特点采⽤ansys软件进⾏模拟计算，钢筋混凝⼟模型采⽤分离式模型，不考虑钢筋与混凝⼟之间的相对滑移。
混凝⼟采⽤solid65单元模拟，solid65⽤于模拟三维有钢筋或⽆钢筋的混凝⼟模型。
该单元能够计算拉裂和压碎。
在混凝⼟应⽤中，该单元的实体功能可以⽤于建⽴混凝⼟模型，同时，还可⽤加筋功能建⽴钢筋混凝⼟模型。
另外，该单元还可以应⽤于加强复合物和地质材料。
该单元由⼋个节点定义，每个节点有三个⾃由度:节点坐标系的x，y，z⽅向的平动。
⾄多可以定义三种不同规格的钢筋。
钢筋单元采⽤link180单元模拟，link180是⼀个适⽤于各类⼯程应⽤的三维杆单元。
根据具体情况，该单元可以被看作桁架单元、索单元、链杆单元或弹簧单元等等。
本单元是⼀个轴向拉伸⼀压缩单元，每个节点有三个⾃由度:节点坐标系的x，y，z⽅向的平动。
本单元是⼀种顶端铰接结构，不考虑单元弯曲。
本单元具有塑性、蠕变、旋转、⼤变形和⼤应变功能。
缺省时，当考虑⼤变形时任何分析中LINK180单元都包括应⼒刚化选项。
3、描述选⽤的混凝⼟与钢筋粘结滑移本构关系的具体形式、参数等。
钢筋的应⼒应变关系曲线考虑到极限塑性应变最⼤值为0.01,钢筋本构模型采⽤多线性模型kinh，初始弹性模量为Es=200000Mpa，强化系数为0.001。
混凝⼟的应⼒应变关系曲线混凝⼟选⽤各向同性的miso模型，当计⼊下降端时，程序报错，所以只取了前⾯的上升段，⽤5段折线模拟混凝⼟应⼒应变曲线。
用ANSYS建立钢筋混凝土梁模型
用ANSYS1立钢筋混凝土梁模型问题描述：钢筋混凝土梁在受到中间位移荷载的条件下的变形以及个组成部分的应力情况。
P=5mm位移L=2000mm图1钢筋混凝土结构尺寸图一、用合并节点的方法模拟钢筋混凝土梁1 .用solid65号单元以及beam188单元时材料特性钢材的应力应变关系混凝土的弹性模量采用线弹性TEMP建立钢筋线对钢筋线划分网格后形成钢筋单元建立混凝土单元合并单元节点后施加约束以及位移载荷进入求解器进行求解钢筋单元的受力云图.4Q2F-0375.269 150,536 225.806 301 . 075 混凝土的应力云图混凝土开裂2使用单元solid45号单元与beam188钢筋的应力应变关系不变，而混凝土应力应变关系为：混凝土单元WK.355713 5.067 11.37S3,11119.644EPS3钢筋单元 力与位移曲线 .13257E弓・51611-0^^9uOS31^-652Q B 2L7 25-7S4~H ・ 793・0190363E a 9Q715&•号E 】 233.34311.113194 ・453272 ・227350p(kn)g105uy、用约束方程法模拟钢筋混凝土梁1 .用solid65号单元以及beam188单元时混凝土以及钢筋采用线弹性关系: 建立钢筋线对钢筋线划分网格后形成钢筋单元建立混凝土单元对钢筋线节点以及混凝土节点之间建立约束方程WFOR.NMQMBFOR后施加约束以及位移载荷进入求解器进行求解；钢筋单元的受力云图MN011905 77.787 155.562 233.337 311.11238.899 116.675 194.45 272,225 350 混凝土的应力云图,1472166,969 13,79 20.612 27.43310.379 17 ・201 24 ・ DEE30.844混凝土开裂*11111112使用单元solid45号单元与beam188使用混凝土的本构关系曲线1255 7 9钢材的本构关系曲线钢筋的von mises应力.116491 77+86830.992155,62116.744 1.94,496233+372 311+124272-246 350混凝土的应力.1287895,695 11,662 17.429 23.195 3-012 B.779 14.545 20*312 26.079用在solid45号单元下，用合并节点法、约束方程法建立模中钢筋与混凝土之间的关系 的时候的一个力与位移全程曲线的比较。
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（ii ）纵向钢筋：PIPE20 （iii ）横向箍筋：PIPE20
2.2 材料性质
（i ）、混凝土材料
表5-4 混凝土材料的输入参数一览表[16~19]
·单轴受压应力-应变曲线（εσ-曲线）
在ANSYS ○R
程序分析中，需要给出混凝土单轴受压下的应力应变曲线。
在本算例中，混凝土单轴受压下的应力应变采用Sargin 和Saenz 模型[17,18]：
2
21⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=
c c s c c E E E εεεεε
σ （5-30）
式中取4'
4')108.0028.1(c c c f f -=ε；
断面图配筋图断面图配筋图断面图配筋图RCBEAM-01 RCBEAM-02 RCBEAM-03
图5-12 各梁FEM模型断面图
（a）单元网格图（b）钢筋单元划分图
图5-13 算例（一）的FEM模型图
2.4 模型求解
在ANSYS○R程序中，对于非线性分析，求解步的设置很关键，对计算是否收敛关系很大，对于混凝土非线性有限元分析，在计算时间容许的情况下，较多的求解子步（Substeps）或较小的荷载步和一个非常大的最大子步数更容易导致收敛[2]。
在本算例中，设置了100个子步。
最终本算例收敛成功，在CPU为P41.6G、内存为256MB的微机上计算，耗时约为8小时。
2.5 计算结果及分析
2.5.1 荷载—位移曲线
图5-14为ANSYS○R程序所得到的各梁的荷载-跨中挠度曲线，从图中可以看出：
（i）、梁RCBEAM-01：曲线形状能基本反映钢筋混凝土适筋梁剪切破坏的受力特点，而且荷载-跨中挠度曲线与钢筋混凝土梁的弯剪破坏形态非常类似，即当跨中弯矩最大截面的纵筋屈服后，由于裂缝的开展，压区混凝土的面积逐渐减小，在荷载几乎不增加的情况下，压区混凝土所受的正应力和剪应力还在不断增加，当应力达到混凝土强度极限时，剪切破坏发生，荷载突然降低。
（ii）、梁RCBEAM-02：荷载-跨中挠度曲线与超筋梁的试验荷载-跨中挠度曲线很相似，在荷载达到极限情况下，没有出现屈服平台，而是突然跌落。
极限弯矩值相对梁RCBEAM-01增加约30%，与受拉区配筋率的增加量（100%）相比要低，表明受拉区所增加的钢筋没有完全发挥作用，与超筋梁类似。
（iii）、梁RCBEAM-03：荷载-跨中挠度曲线形状介于适筋梁与超筋梁的试验曲线之间，随着挠度的增加，荷载几乎成线性地增长，在荷载达到极限情况下，曲线出现一个较短的屈服平台，随后出现突然跌落情况。
由于受拉区配筋量的加倍，极限弯矩值增加较大，相当于梁RCBEAM-01的两倍，表明受拉区所增加钢筋发挥了完全作用。
表5-6 计算结果与理论值比较
表5-6为理论计算结果与ANSYS○R程序计算结果的对比，从表5-6中可以看出，
（1）、ANSYS○R程序计算的跨中最大弯矩值与理论计算值比较接近，RCBEAM-01和RCBEAM-02最大剪力比梁的斜截面抗剪能力低，即纵筋屈服决定梁的承载能力，压区混凝土的剪断决定梁的最大变形能力，梁的强度仍然由跨中垂直截面弯曲强度决定；而RCBEAM-03的最大剪力比梁的斜截面抗剪能力要大，所以，梁的极限承载能力由梁的斜截面抗剪能力决定，但从表中也可以看出，极限状态下的最大弯矩计算值与理论计算值比较接近，表明梁ANSYS○R程序计算的抗剪能力值为203.433kN，比理论计算的148.9kN值高，这可能是因为纵筋的梢栓作用比较突出。
从表5-6还可以看出，在纵筋屈服时刻，ANSYS○R程序计算的梁跨中最大挠度值比理论计算值略小，原因可能是由于没有考虑钢筋-混凝土之间的粘结滑移，而使整个梁的整体刚度有所增加。
2.5.2 混凝土应力-应变本构关系比较
图5-15为混凝土应力-应变曲线计算结果和输入曲线对比图，从图中看出，混凝土计算输出本构关系与输入曲线吻合较好。
2.5.3 钢筋应力发展曲线。