SOLID65单元在钢筋溷凝土结构非线性分析中的应用

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1、水力工程WaterPowerEngineeringSOLID65单元在钢筋混凝土结构非线性分析中的应用翟渊军12333,李晓芬,马文亮,刘东常,翟继红(1.河南省水利勘测设计研究有限公司,河南郑州450008;2.中原工学院,河南郑州450007;3.华北水利水电学院,河南郑州450011)摘要:介绍了ANSYS中的钢筋混凝土单元非线性计算的基本原理,通过对某水电站钢衬钢筋混凝土坝后背管的计算分析,阐述了钢筋混凝土单元非线性分析具有广泛的应用价值。关键词:非线性分析;SOLID65单元;坝后背管中图分类号:TV332文献标识码:A文章编号:1674-0009

2、(2007)04-0051-04模型的三维实体单元SOLID65,它可以反映脆性材0引言料的破坏,如拉裂、压碎,甚至塑性变形与徐变。可在三个方向上设置钢筋,并反映其力学性能。SOLID65近年来,随着理论与计算技术的发展,钢筋混凝单元是一种8节点的块体单元,它是在普通8节点三土结构分析也由公式计算、试验模拟逐步向计算机维等单元的基础上增加了针对混凝土材料参数和整仿真分析方面发展,特别是有限单元法的产生、发展体式钢筋模型。在SOLID65单元中使用弹塑性本构以及计算机在钢筋混凝土结构分析中的广泛应用,关系来描述混凝土受拉时的应力应变关系,采用使得钢筋混凝土结构

3、三维、非线性、蠕变、开裂和压Drucker-Prager屈服准则。其塑性流动为关联流动,碎分析成为可能。自从有限元法产生以后,各国学者混凝土单轴受压时的应力—应变关系采用Saenz提对钢筋混凝土有限元法进行了深入的研究。目前,比出的公式[2]:较有代表性的有限元计算软件有ADINA、ANSYS、E0εσ=(1)MSC、MARC、ABAQUS等。本文将以ANSYS为例,介1+(E0-2)(ε)+(ε)2Esε0ε0绍钢筋混凝土结构非线性有限元法的分析过程。式中:E0为初始弹性模量;Es=σ0/ε0为应力达到ANSYS软件的SOLID65单元是专为混凝土、岩峰值

4、时的割线弹性模量;σ0、ε0分别为应力达到峰值石等抗压能力远大于抗拉能力的非均匀材料开发的时的应力、应变。其单轴受压应力—应变关系曲线见单元,它可以模拟混凝土中的加强钢筋以及材料的图1。拉裂和压碎现象[2]。1SOLID65单元1.1混凝土的本构关系结构的非线性包括材料非线性、几何非线性和状态非线性,由于钢筋和混凝土都是弹塑性材料,因此混凝土结构非线性分析中最常见的是材料的非线性。在ANSYS软件中提供了专门的钢筋混凝土材料图1混凝土单轴受压σ-ε关系曲线收稿日期:2007-05-18作者简介:翟渊军(1964-),男,河南杞县人,高级工程师,工程硕士,主要

5、从事水工结构的计算与分析工作。51水力工程WaterPowerEngineering1.2混凝土的破坏准则通过定义各个方向的配筋率来模拟钢筋混凝土。也SOLID65单元的破坏准则为改进的William-就是将钢筋分布于整个单元中,假定混凝土和钢筋Warnke五参数破坏准则,需要以下几个参数来加以粘结很好,并把单元视为连续均匀材料,在计算时综定义:单轴受拉强度ft,单轴受压强度fc,双向受压强合求得了混凝土和钢筋的刚度矩阵,即把混凝土和度fa下的单向受压强度f和双向钢筋的刚度矩阵直接放在一起求的一个综合刚度矩cb,以及在某一围压σh2受压强度f1。阵。在模型中

6、通常把钢筋应力—应变曲线简化成双折在计算分析过程中,判断应力是否达到破坏准线形式,因此在ANSYS分析中使用经典的双线性随动则的依据可以采用以下方程:强化,其包括弹性斜率和塑性斜率,由于使用了随动强化的VonMises屈服准则,所以有包辛格效应[3]F。-S≥0(2)fc式中:F为应力组合,S为William-Warnke破坏2实例分析面。1.3压碎与开裂模拟2.1基本参数用SOLID65单元进行非线性计算,当应力组合某水电站钢衬钢筋混凝土坝后背管,采用26mm达到破坏面时,则单元进入压碎或开裂状态。如果厚的钢衬,材料为16MnR钢,弹性模量E为206GPa

7、,在单轴、双轴或三轴压力作用下,某个积分点上的材泊松比μ为0.3,抗拉强度设计值σs为300MPa。外包料失效了,就意味着这个点上的材料压碎了。单元混凝土厚为1.5m,强度等级为C25,弹性模量E为28进入压碎状态,则单元刚度为零,且应力完全释放。GPa,泊松比μ为0.167,轴心抗压强度fc为12.5MPa,通过修正的应力-应变关系,引入垂直与裂缝轴心抗拉强度fc为1.27MPa。混凝土管环向配置三层表面方向上的一个缺陷平面来表示在某个积分点上钢筋,每层为%40@200,体积配筋率为1.26%。钢管出现了裂缝。当裂缝张开时,后继荷载产生了在裂和外包混凝土之

8、间初始缝隙为2.0mm,用以模拟施缝表面的滑动或剪切