1、 石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏1/61第12 讲 索、混凝土和岩土结构本讲主要内容：本讲主要内容：一、索结构：单索、索网、膜等的分析。一、索结构：单索、索网、膜等的分析。二、钢筋混凝土结构的分析二、钢筋混凝土结构的分析三、预应力混凝土结构的分析三、预应力混凝土结构的分析四、结构四、结构-土相互作用分析土相互作用分析 石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏2/61一、索结构索的理论计算一般采用两个基本假定索的理论计算一般采用两个基本假定: :索为理想柔性的，即不能受压，也不能抗弯；索为理想柔性的，即不能受压，也不能抗弯；索的材料符合符合定律。索的材料符合符合
2、定律。索所受均布荷载一般分为两种形式索所受均布荷载一般分为两种形式：沿着索曲线的弦线均匀分布，索的形状为抛物线；沿着索曲线的弦线均匀分布，索的形状为抛物线；沿着索的弧长均匀分布，索的形状为悬链线，如索自重作用沿着索的弧长均匀分布，索的形状为悬链线，如索自重作用下的形状。下的形状。根据理论分析结果，索的垂度越小二者差别越小；而实际索根据理论分析结果，索的垂度越小二者差别越小；而实际索的垂度都比较小，当采用沿着索弦线均匀分布的荷载时，二者的垂度都比较小，当采用沿着索弦线均匀分布的荷载时，二者误差较小可为工程所接受。误差较小可为工程所接受。安装时是否张拉：安装时是否张拉：不张拉的索仅由自重或外部荷载
3、在索内产生一定的应力；不张拉的索仅由自重或外部荷载在索内产生一定的应力；张拉索则由自重、预应力和外部荷载在索内产生应力。张拉索则由自重、预应力和外部荷载在索内产生应力。 石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏3/611 单悬索分析索分为三个力学状态：索分为三个力学状态：无应力状态：无应力状态：指加工放样后的索或索段，该状态索内指加工放样后的索或索段，该状态索内不存在应力，不承受任何荷载。不存在应力，不承受任何荷载。初始状态：初始状态：指仅承受自重或预应力作用下的自平衡状指仅承受自重或预应力作用下的自平衡状态，不考虑外部荷载的作用。该状态提供了分析结构在态，不考虑外部荷载的作用。该
4、状态提供了分析结构在外部荷载作用下所必须的所有初始条件，如结构几何和外部荷载作用下所必须的所有初始条件，如结构几何和预应力等。预应力等。工作状态工作状态：指在外部荷载作用下所达到的平衡状态。：指在外部荷载作用下所达到的平衡状态。 单悬索单悬索是指安装时不张拉的单根索，即索无初始应是指安装时不张拉的单根索，即索无初始应力或无初应变。力或无初应变。 石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏4/611 单悬索分析hlABxyqylAhBxql/2l/2ffl/2l/2a)b) 石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏5/611 单悬索分析ANSYS中的中的LINK10为索单元
5、，该单元通过为索单元，该单元通过KEYOPT 设置可仅受拉或仅受压，以模拟张紧索或松弛索。设置可仅受拉或仅受压，以模拟张紧索或松弛索。初应变是基于无应力时的索长和当前索长（两节点之初应变是基于无应力时的索长和当前索长（两节点之 间的距离）计算，因此采用加速度施加自重时应考虑间的距离）计算，因此采用加速度施加自重时应考虑 该因素，以避免结果错误。该因素，以避免结果错误。索的垂度和水平张力互为结果，必须已知其中一个参索的垂度和水平张力互为结果，必须已知其中一个参 数才能惟一确定索的线形或张力。数才能惟一确定索的线形或张力。一般设计单悬索时，可根据实际要求确定索的垂度，一般设计单悬索时，可根据实际要
6、求确定索的垂度， 或者根据应力条件预先拟定索的张力。该问题可归结或者根据应力条件预先拟定索的张力。该问题可归结 为已知张力找形或已知形状求索力两类问题。为已知张力找形或已知形状求索力两类问题。 ANSYS分析单悬索问题时，可采用两种方法，即直分析单悬索问题时，可采用两种方法，即直 接迭代法和找形分析法。接迭代法和找形分析法。 石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏6/611 单悬索分析直接迭代法直接迭代法 在索弦线位置创建模型在索弦线位置创建模型，采用实际材料性质和实常数，并采用实际材料性质和实常数，并设置很小的初应变，施加自重荷载（沿弧长分布），逐步更新设置很小的初应变，施加自
7、重荷载（沿弧长分布），逐步更新有限元模型，以索水平张力或索力为收敛条件进行迭代，其最有限元模型，以索水平张力或索力为收敛条件进行迭代，其最终结果即为索在自重荷载作用下的初始变形。终结果即为索在自重荷载作用下的初始变形。基本过程如下：基本过程如下：创建几何模型和有限元模型：创建几何模型和有限元模型：在索弦线位置上创建几何模型在索弦线位置上创建几何模型。设置实际的材料性质和实常数，设置任意很小的初应变以获。设置实际的材料性质和实常数，设置任意很小的初应变以获得求解稳定性。得求解稳定性。求解并不断更新有限元模型：求解并不断更新有限元模型：施加自重荷载后求解，更新有施加自重荷载后求解，更新有限元模型不
8、断改变索的几何，如果求解后的结果不能满足收敛限元模型不断改变索的几何，如果求解后的结果不能满足收敛条件，则继续求解直到满足迭代要求的收敛条件。此过程结束条件，则继续求解直到满足迭代要求的收敛条件。此过程结束后获得初始状态，即在自重荷载作用下索的内力和几何。后获得初始状态，即在自重荷载作用下索的内力和几何。施加外荷载求解：施加外荷载求解：在获得初始状态后，施加其他外荷载，进在获得初始状态后，施加其他外荷载，进行工作状态分析。行工作状态分析。 石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏7/611 单悬索分析! 悬索直接迭代求解悬索直接迭代求解finish$/clear$/filname,
9、ex820$/prep7!定义几何参数和荷载参数等，定义单元类型和材料性质定义几何参数和荷载参数等，定义单元类型和材料性质-l0=120$xh=20$area=7.016e-4$em=7.89e10!定义几何参数、面积、弹性模量定义几何参数、面积、弹性模量q0=65$qf=10000!定义索单位重量定义索单位重量(N/m)和集中荷载和集中荷载(N)h0=9000!定义自重作用下的水平张力（已知）定义自重作用下的水平张力（已知）err0=2/100$enum=60$istran=1.0e-6!定义迭代条件、单元数目、初应变定义迭代条件、单元数目、初应变et,1,link10$r,1,area,i
10、stran!定义单元和实常数定义单元和实常数mp,ex,1,em$mp,prxy,1,0.3!定义材料性质定义材料性质mp,dens,1,q0/area!采用换算密度，且为采用换算密度，且为N/m3单位单位!在弦线位置创建模型，施加约束和自重荷载在弦线位置创建模型，施加约束和自重荷载-k,1$k,2,l0,-xh$l,1,2!创建几何模型创建几何模型lesize,all,enum$lmesh,all!生成有限元模型生成有限元模型d,node(0,0,0),all$d,node(l0,-xh,0),all!施加约束施加约束node1=nelem(enum/2,1)!获得中间单元的两个节点号获得中
11、间单元的两个节点号node2=nelem(enum/2,2)!以备后面使用以备后面使用acel,1.0$finish!施加值为施加值为1的加速度（自重）的加速度（自重） 石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏8/611 单悬索分析!求解、进入后处理获得索内力、更新有限元模型、判别收敛条件是否满足求解、进入后处理获得索内力、更新有限元模型、判别收敛条件是否满足-pass1=1*dowhile,pass1/solu$antype,0$nlgeom,on$sstif,on!定义静态求解、打开大变形与应力刚度选项定义静态求解、打开大变形与应力刚度选项nsubst,20$outres,al
12、l,all$solve$fini!定义子步数、输出结果、求解定义子步数、输出结果、求解/post1$set,last,last!进入后处理，选择最后荷载步的最后子步进入后处理，选择最后荷载步的最后子步*get,nfor,elem,enum/2,smisc,1!获得跨中单元的索力并计算其余弦获得跨中单元的索力并计算其余弦cosref=(nx(node2)-nx(node1)/distnd(node1,node2)nfor=nfor*abs(cosref)!计算跨中单元的水平张力（可用其他单元）计算跨中单元的水平张力（可用其他单元）err1=abs(nfor-h0)/h0$finish!计算当前索
13、水平张力误差计算当前索水平张力误差/prep7!进入前处理，更新有限元模型进入前处理，更新有限元模型*if,err1,lt,0.05,then!如果误差小于如果误差小于5%时时upgeom,0.1,last,last,ex820,rst$*else!模型更新系数采用较小数值模型更新系数采用较小数值upgeom,1,last,last,ex820,rst$*endif!否则模型更新系数采用较大数值否则模型更新系数采用较大数值*if,err1,lt,err0,exit$*enddo!如满足迭代条件，退出循环如满足迭代条件，退出循环 石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏9/611 单
14、悬索分析!获得初始状态索长、无应力索长等获得初始状态索长、无应力索长等-/post1$set,last,last$plesol,smisc,1!绘制索力绘制索力etable,epelt,lepel,1!定义单元表定义单元表s=0$ds=0*do,i,1,enum!对单元数目循环对单元数目循环*get,eleng,elem,i,leng!获得当前单元的长度获得当前单元的长度*get,epel,elem,i,etab,epelt!获得当前单元的应变获得当前单元的应变s=s+eleng$ds=ds+eleng*epel!计算索长和索的变形计算索长和索的变形*enddos0=s-ds!求解外荷载作用下
15、的内力和变形求解外荷载作用下的内力和变形-/solu$nlgeom,on$nsubst,20$outres,all,allf,node1,fy,-qf$solve$finish 石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏10/611 单悬索分析 石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏11/611 单悬索分析找形分析法找形分析法 基本原理是在索弦线位置创建模型，采用很大的初始应变和较小的弹基本原理是在索弦线位置创建模型，采用很大的初始应变和较小的弹性模量，施加自重荷载，其变形即为初始状态的线形。在此线形下，恢复实性模量，施加自重荷载，其变形即为初始状态的线形。在此线形下，
16、恢复实际弹性模量，假定很小的初始应变，求得索在自重荷载作用下的初始状态。际弹性模量，假定很小的初始应变，求得索在自重荷载作用下的初始状态。基本过程如下：基本过程如下：找形分析找形分析设置较大的初应变便较快收敛。可根据初始水平张力和初应变，确定一设置较大的初应变便较快收敛。可根据初始水平张力和初应变，确定一“假假定的较小的弹性模量定的较小的弹性模量”。施加荷载和约束后求解，如果自重荷载以加速度施。施加荷载和约束后求解，如果自重荷载以加速度施加，要注意加速度施加在未变形的单元上，因此应将密度除以（加，要注意加速度施加在未变形的单元上，因此应将密度除以（1-1-初应变）初应变）。初始状态分析初始状态
17、分析找形分析后，恢复真实的弹性模量，并设置很小的初应变以获得求解稳定性找形分析后，恢复真实的弹性模量，并设置很小的初应变以获得求解稳定性。求解后若索内水平张力与已知的张力不符，可采用类似。求解后若索内水平张力与已知的张力不符，可采用类似“直接迭代法直接迭代法”中中的迭代过程。的迭代过程。工作状态分析工作状态分析在初始状态分析完成后，即可施加外荷载进行分析，从而获得基于初始状态在初始状态分析完成后，即可施加外荷载进行分析，从而获得基于初始状态的外荷载作用下的结果。的外荷载作用下的结果。 石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏12/612 菱形单片索网分析一般在设计索网结构时，大多给
18、定期望的预应力状态一般在设计索网结构时，大多给定期望的预应力状态和几何边界，要求确定初始形状，这里仅就此问题进和几何边界，要求确定初始形状，这里仅就此问题进行介绍。行介绍。形状确定问题简称形状确定问题简称“找形找形”，其基本原理是减小弹性，其基本原理是减小弹性刚度的影响，利用结构的应力刚度求得满足边界条件刚度的影响，利用结构的应力刚度求得满足边界条件的平衡曲面，当完全不计弹性刚度时获得索网的最小的平衡曲面，当完全不计弹性刚度时获得索网的最小曲面，因此在找形分析时应采用较小的弹性模量，且曲面，因此在找形分析时应采用较小的弹性模量，且不施加外荷载和自重荷载。不施加外荷载和自重荷载。找形完毕后，恢复
19、材料的真实弹性模量和初始应变，找形完毕后，恢复材料的真实弹性模量和初始应变，并施加外荷载进行求解。并施加外荷载进行求解。 石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏13/612 菱形单片索网分析73.2m73.2m3.66m3.66mxzy刚性边梁找形后空间形状假定几何平面找形后视图找形后视图如图所示的菱形索网，设各索支承在刚性边梁上，各索截面如图所示的菱形索网，设各索支承在刚性边梁上，各索截面相等且面积为相等且面积为0.001468m0.001468m2 2，弹性模量为，弹性模量为210GPa210GPa，各索预应，各索预应力为力为800kN800kN。 石家庄铁道大学研究生课程结
20、构工程仿真技术讲稿-王新敏14/612 菱形单片索网分析!EX8.22 菱形索网找形与分析菱形索网找形与分析!定义几何参数、单元及材料常数等定义几何参数、单元及材料常数等-finish$/clear$/filname,ex822$/prep7 !工作文件名为工作文件名为EX822netnum=4$netsiz=9.15$f=3.66!定义索网数、网格尺寸及垂度定义索网数、网格尺寸及垂度a=0.001468$t0=8e5$deadld=1e3!定义索面积、初始预应力及外荷载定义索面积、初始预应力及外荷载et,1,link10!定义单元类型定义单元类型istran=0.999$r,1,a,istr
21、an!定义很大的初始应变定义很大的初始应变mp,ex,1,t0/(istran*a)$mp,prxy,1,0.3!定义弹性模量（换算得到）定义弹性模量（换算得到）!在平面位置创建几何模型并生成有限元模型在平面位置创建几何模型并生成有限元模型-k,1$k,2,0,netnum*netsiz!定义关键点定义关键点KP1和和KP2k,3,netnum*netsiz!定义关键点定义关键点KP3l,1,2$l,1,3$l,2,3 !创建线，形成索网的创建线，形成索网的1/4部分（三角形）部分（三角形）ldiv,all,netnum!将所有线等分为将所有线等分为netnum份份*do,i,1,netnum
22、-1!通过循环创建水平和竖线通过循环创建水平和竖线xi=i*netsiz$yi=(netnum-i)*netsiz!计算各关键点的计算各关键点的X和和Y坐标坐标l,kp(xi,0,0),kp(xi,yi,0)!通过坐标获得关键点号并创建线（竖线）通过坐标获得关键点号并创建线（竖线）l,kp(0,xi,0),kp(yi,xi,0)$*enddo!通过坐标获得关键点号并创建线（水平线）通过坐标获得关键点号并创建线（水平线）lsel,u,tan1,x$lsel,u,tan1,y$ldel,alL!删除边界线（斜线）删除边界线（斜线）lsel,all$lovlap,all!选择所有线，并执行线搭接生成
23、关键点选择所有线，并执行线搭接生成关键点lsymm,x,all$lsymm,y,all$nummrg,all !对称生成其余部分，并合并相同图素对称生成其余部分，并合并相同图素 石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏15/612 菱形单片索网分析等分线创建线搭接对称 石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏16/612 菱形单片索网分析*do,i,1,netnum+1!循环施加各边界关键点约束条件循环施加各边界关键点约束条件xi=(i-1)*netsiz$yi=(netnum+1-i)*netsiz!计算计算X和和Y坐标坐标dfv=f-(netnum+1-i)*2*f
24、/netnum!计算计算X和和Y坐标处的支座位移值坐标处的支座位移值dk,kp(xi,yi,0),ux,uy$dk,kp(xi,yi,0),uz,dfvdk,kp(xi,-yi,0),ux,uy$dk,kp(xi,-yi,0),uz,dfvdk,kp(-xi,yi,0),ux,uy$dk,kp(-xi,yi,0),uz,dfvdk,kp(-xi,-yi,0),ux,uy$dk,kp(-xi,-yi,0),uz,dfv$*enddolesize,all,1$lmesh,all!定义每条线划分一个单元并划分单元定义每条线划分一个单元并划分单元 石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏1
25、7/612 菱形单片索网分析!求解并更新有限元模型（打开大变形选项）求解并更新有限元模型（打开大变形选项）-/solu$antype,0$nlgeom,on$nsubst,10$solve$finish/prep7$upgeom,1,last,last,ex822,rst!如果所求得的各索内力相差稍大，可在此基础上再次更新几次模型即可如果所求得的各索内力相差稍大，可在此基础上再次更新几次模型即可-*do,i,1,netnum+1!将原支座位移设为零将原支座位移设为零xi=(i-1)*netsiz$yi=(netnum+1-i)*netsiz!计算计算X和和Y坐标坐标dk,kp(xi,yi,0)
26、,uz$dk,kp(xi,-yi,0),uz!施加新的约束条件施加新的约束条件dk,kp(-xi,yi,0),uz$dk,kp(-xi,-yi,0),uz$*enddo*do,i,1,5$finish$/solu$solve$finish!求解并更新有限元模型求解并更新有限元模型/prep7$upgeom,1,last,last,ex822,rst$*enddo 石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏18/612 菱形单片索网分析!恢复真实的材料常数，并施加外荷载求解恢复真实的材料常数，并施加外荷载求解-mp,ex,1,2.0e11$r,1,a,t0/(a*2.0e11)!恢复弹
27、性模量和实常数恢复弹性模量和实常数/solu$time,1$solve!初始状态求解（形状与索力几乎不变）初始状态求解（形状与索力几乎不变）time,2$f,all,fz,-deadld*netsiz*netsiz!施加外荷载并求解施加外荷载并求解solve 石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏19/613 多片索网分析 多片索网分析与菱形单片索网分析类似，但几何边界和要多片索网分析与菱形单片索网分析类似，但几何边界和要求复杂一些。求复杂一些。2.2m40=88m2.2m30=66m10m10m刚性边梁刚性拱a) 结构与几何边界找形后的空间形状假定几何平面找形后视图找形后视图例
28、如，类似德国例如，类似德国慕尼黑滑冰馆屋慕尼黑滑冰馆屋盖结构的外形尺盖结构的外形尺寸如图所示。该寸如图所示。该结构由两片索网结构由两片索网组成，索网上缘组成，索网上缘支承在位于屋盖支承在位于屋盖中轴线的抛物线中轴线的抛物线刚性拱上，下缘刚性拱上，下缘锚固在椭圆线刚锚固在椭圆线刚性边梁上。设所性边梁上。设所有索截面相等且有索截面相等且面积为面积为0.00222m0.00222m2 2，索的预应力为索的预应力为100kN100kN。 石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏20/613 多片索网分析 石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏21/613 多片索网分析 石家庄
29、铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏22/614 伞形索网分析60m60m25m边索主索假定几何平面找形后视图找形后的空间形状 石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏23/615 膜结构找形分析 膜结构与索结构类似，其分析过程主要有找形分析、承载分膜结构与索结构类似，其分析过程主要有找形分析、承载分析及裁减分析，这里仅就找形分析中的有限元法说明如下。析及裁减分析，这里仅就找形分析中的有限元法说明如下。 膜结构的有限元找形的基本方法有两种，即从初始几何开膜结构的有限元找形的基本方法有两种，即从初始几何开始迭代和从平面状态开始迭代，前者从一基本几何形状开始，始迭代和从平面状
30、态开始迭代，前者从一基本几何形状开始，通过不断改变膜面应力经过迭代得到相应的形状；后者从平面通过不断改变膜面应力经过迭代得到相应的形状；后者从平面状态开始，通过逐步改变控制点的坐标（支座位移）并经过平状态开始，通过逐步改变控制点的坐标（支座位移）并经过平衡迭代，得到相应的形状。因此膜结构的找形分析就是通过给衡迭代，得到相应的形状。因此膜结构的找形分析就是通过给定控制点坐标和膜面应力分布状态，寻求与之相对应的平衡曲定控制点坐标和膜面应力分布状态，寻求与之相对应的平衡曲面形状。面形状。 石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏24/61二、钢筋混凝土结构-概述分析模型分析模型钢筋砼结构
31、模型钢筋砼结构模型3种方式：分离式、组合式和整体式。种方式：分离式、组合式和整体式。ANSYS：分离式和整体式两种模型。：分离式和整体式两种模型。分离式模型分离式模型把钢筋和混凝土作为不同的单元来处理，即混凝土把钢筋和混凝土作为不同的单元来处理，即混凝土采用采用8节点三维非线性实体单元节点三维非线性实体单元SOLID65，钢筋采用，钢筋采用LINK8杆杆单元或单元或PIPE20管单元。管单元。整体式模型整体式模型也称分布式模型或弥散钢筋模型，即将钢筋连续均也称分布式模型或弥散钢筋模型，即将钢筋连续均匀分布于整个单元中，它综合了混凝土与钢筋对刚度的贡献，匀分布于整个单元中，它综合了混凝土与钢筋对
32、刚度的贡献，其单元仅为其单元仅为SOLID65，通过参数设定钢筋分布情况。，通过参数设定钢筋分布情况。通常混凝土裂缝的处理方式有离散裂缝模型、分布裂缝模型和通常混凝土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。断裂力学模型。ANSYS则均采用分布（弥散）裂缝模型的处理则均采用分布（弥散）裂缝模型的处理方式。方式。 石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏25/611 概述分离式模型分离式模型的优点是可考虑钢筋和混凝土之间的粘接的优点是可考虑钢筋和混凝土之间的粘接和滑移，而整体式模型则无法考虑粘接和滑移，认为和滑移，而整体式模型则无法考虑粘接和滑移，认为混凝土和钢筋之间
33、粘接很好是刚性连接。混凝土和钢筋之间粘接很好是刚性连接。分离式模型建模复杂分离式模型建模复杂，尤其是钢筋较多且布置复杂时，尤其是钢筋较多且布置复杂时，且计算不易收敛；而整体式模型建模简单，计算易于且计算不易收敛；而整体式模型建模简单，计算易于收敛，但其结果较分离式模型粗略。收敛，但其结果较分离式模型粗略。 对实际钢筋混凝土结构，由于结构构件多且钢筋对实际钢筋混凝土结构，由于结构构件多且钢筋布置复杂，建议采用整体式模型进行分析，其结果也布置复杂，建议采用整体式模型进行分析，其结果也足够精确；对于单个构件，如简支梁或柱且要考虑其足够精确；对于单个构件，如简支梁或柱且要考虑其它因素影响时，可采用分离
34、式模型进行分析，以便于它因素影响时，可采用分离式模型进行分析，以便于数值试验或与试验结果进行对比分析，从而获得参数数值试验或与试验结果进行对比分析，从而获得参数分析结果。分析结果。 石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏26/611 概述材料的本构关系与破坏准则材料的本构关系与破坏准则 SOLID65单元是在单元是在SOLID45单元的基础上考虑混凝土的单元的基础上考虑混凝土的特性而建立的，因此该单元除具有特性而建立的，因此该单元除具有SOLID45单元的特性外，单元的特性外，还能够考虑混凝土的开裂和压碎。混凝土材料的本构关系可采还能够考虑混凝土的开裂和压碎。混凝土材料的本构关系
35、可采用多线性等向强化模型用多线性等向强化模型MISO、多线性随动强化模型、多线性随动强化模型MKIN、DP模型等，钢筋可采用双线性随动强化模型模型等，钢筋可采用双线性随动强化模型BKIN和双线性等和双线性等向强化模型向强化模型BISO等。等。 当不输入本构关系时，在混凝土开裂和压碎之前，当不输入本构关系时，在混凝土开裂和压碎之前，ANSYS采用缺省的本构关系，即混凝土和钢筋均采用线性本采用缺省的本构关系，即混凝土和钢筋均采用线性本构关系。要输入混凝土的本构关系，则首先确定采用何种单轴构关系。要输入混凝土的本构关系，则首先确定采用何种单轴受压的应力应变关系。该关系表达式众多，可参考相关资料或受压
36、的应力应变关系。该关系表达式众多，可参考相关资料或规范选取，建议采用规范选取，建议采用GB50010-2002推荐公式或推荐公式或Hongnestad公公式。式。 石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏27/611 概述 SOLID65 SOLID65将破坏分为将破坏分为4 4种情况，即通过主应力状态确定种情况，即通过主应力状态确定为四个区域，在不同的区域采用不同的破坏准则。为四个区域，在不同的区域采用不同的破坏准则。在压在压- -压压- -压区域压区域（ ）：采用采用Willam-WarnkerWillam-Warnker五参数破坏准则，如满足破坏准则混凝土将被压五参数破坏准则
37、，如满足破坏准则混凝土将被压碎；碎；在拉在拉- -压压- -压区域压区域（ ）：）：基本采用基本采用Willam-WarnkerWillam-Warnker破坏准则，如满足破坏准则混凝土在破坏准则，如满足破坏准则混凝土在垂直于垂直于主应力主应力 的平面发生开裂；的平面发生开裂；在拉在拉- -拉拉- -压区域压区域（ ）：）：不再采用不再采用Willam-WarnkerWillam-Warnker破坏准则，极限抗拉强度随破坏准则，极限抗拉强度随 绝对值的增大绝对值的增大而降低，如满足破坏条件，在垂直拉应力的方向上产生开裂；而降低，如满足破坏条件，在垂直拉应力的方向上产生开裂；在拉在拉- -拉拉-
38、 -拉区域拉区域（ ）：）：应力超过混凝土的极限抗拉强度就发生开裂，也即在垂直拉应力的方应力超过混凝土的极限抗拉强度就发生开裂，也即在垂直拉应力的方向上都可能发生开裂。向上都可能发生开裂。321032101321030321 石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏28/611 概述上述破坏准则的参数输入格式为：上述破坏准则的参数输入格式为：TB,CONCR,1,1,9TBDATA, C1,C2,C3,C4,C5,C6TBDATA, C7,C8,C9C1-C1-张开裂缝的剪力传递系数张开裂缝的剪力传递系数C2-C2-闭合裂缝的剪力传递系数闭合裂缝的剪力传递系数C3-C3-单轴抗拉强
39、度单轴抗拉强度C4-C4-单轴抗压强度单轴抗压强度C5-C5-双轴抗压强度双轴抗压强度C6-C6-围压大小（用于围压大小（用于C7C7和和C8C8）C7-C7-围压下的双轴抗压强度围压下的双轴抗压强度C8-C8-围压下的单轴抗压强度围压下的单轴抗压强度C9-C9-拉应力释放系数拉应力释放系数tctfcfcbfah1f2fcT 石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏29/611 概述 破坏准则通过破坏准则通过C3C8C3C8五个参数确定，缺省时也可仅由五个参数确定，缺省时也可仅由C3C3和和C4C4确定，此时，确定，此时， ， ， 且且满足满足 ，即缺省设置适用于围压较小的情况。当
40、围压，即缺省设置适用于围压较小的情况。当围压较大时，应根据材料试验给定全部五个参数，否则结果可能较大时，应根据材料试验给定全部五个参数，否则结果可能不正确。不正确。张开裂缝的剪力传递系数张开裂缝的剪力传递系数 对计算结果影响较大，此值在对计算结果影响较大，此值在01.001.0之间，一般取之间，一般取0.30.50.30.5，也有对梁取，也有对梁取0.50.5、对深梁取、对深梁取0.250.25、对剪力墙取、对剪力墙取0.1250.125等经验之谈，建议取较大的数值；等经验之谈，建议取较大的数值；闭合裂缝的剪力传递系数闭合裂缝的剪力传递系数 一般取一般取0.91.00.91.0。拉应力释放系数
41、拉应力释放系数 缺省时为缺省时为0.60.6，可通过，可通过SOLID65SOLID65单元的单元的KEYOPT(7)=1KEYOPT(7)=1改变此值。当改变此值。当KEYOPT(7)=0KEYOPT(7)=0时不考虑拉应力时不考虑拉应力释放，即为脆性开裂；当释放，即为脆性开裂；当KEYOPT(7)=1KEYOPT(7)=1时为半脆性开裂，这时为半脆性开裂，这样设置易于收敛。样设置易于收敛。ccbff2 . 1cff45. 11cff725. 12chf3tccT 石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏30/611 概述收敛控制与策略收敛控制与策略 钢筋混凝土结构计算的最大困难
42、在于钢筋混凝土结构计算的最大困难在于正常收敛正常收敛。当接近结。当接近结构失效时正常收敛将非常困难，这是很构失效时正常收敛将非常困难，这是很正常的不收敛正常的不收敛，可通过，可通过后处理将收敛的结果提取出来以供分析之用。但有时会在很小后处理将收敛的结果提取出来以供分析之用。但有时会在很小的荷载作用下，就发生不收敛现象，这是的荷载作用下，就发生不收敛现象，这是非正常的不收敛非正常的不收敛。为。为解决非正常不收敛直到正常不收敛或正常收敛，需要考虑如下解决非正常不收敛直到正常不收敛或正常收敛，需要考虑如下的主要影响因素。的主要影响因素。SOLID65单元的单元的KEYOPT选项选项KEYOPT(1)
43、=0或或1时分别为考虑或不考虑形函数的附加项，不时分别为考虑或不考虑形函数的附加项，不考虑形函数的附加项易于收敛，即考虑形函数的附加项易于收敛，即KEYOPT(1)=1。考虑与否。考虑与否对结果有一定的影响，尤其是对开裂后压碎之前的结果。对结果有一定的影响，尤其是对开裂后压碎之前的结果。KEYOPT(7)=1或或0时分别为考虑或不考虑拉应力释放，考虑拉时分别为考虑或不考虑拉应力释放，考虑拉应力释放易于收敛。应力释放易于收敛。 石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏31/611 概述分析模型分析模型 在满足要求的情况下尽量采用整体式分析模型，其收敛情在满足要求的情况下尽量采用整体式
44、分析模型，其收敛情况较分离式模型强很多。况较分离式模型强很多。网格密度网格密度 网格密度也是单元尺寸大小问题，单元尺寸越小，越容网格密度也是单元尺寸大小问题，单元尺寸越小，越容易造成应力集中，从而造成开裂越早。一般而言，混凝土单易造成应力集中，从而造成开裂越早。一般而言，混凝土单元尺寸不宜小于元尺寸不宜小于50mm。并且在可能出现应力集中的部位应控。并且在可能出现应力集中的部位应控制网格密度不宜太大。对于不同的结构，合适的网格密度需制网格密度不宜太大。对于不同的结构，合适的网格密度需要在不断调整中获得。要在不断调整中获得。子步数子步数 NSUBST的设置非常重要，设置太大或太小都不能达到正的设
45、置非常重要，设置太大或太小都不能达到正常收敛。合适的子步数也需要在不断调整中获得，但该值的常收敛。合适的子步数也需要在不断调整中获得，但该值的正常范围很大，一旦开始收敛再改变此值对帮助收敛效果不正常范围很大，一旦开始收敛再改变此值对帮助收敛效果不明显。明显。 石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏32/611 概述收敛准则与精度收敛准则与精度改变收敛准则对正常收敛及结果影响均很大，缺省时采用的改变收敛准则对正常收敛及结果影响均很大，缺省时采用的是位移收敛准则和力收敛准则。是位移收敛准则和力收敛准则。当为力加载时，建议采用位移收敛准则；当为力加载时，建议采用位移收敛准则；当为位移加
46、载时，建议采用力收敛准则。当为位移加载时，建议采用力收敛准则。改变收敛精度不能彻底解决收敛的问题，适当放宽收敛条件改变收敛精度不能彻底解决收敛的问题，适当放宽收敛条件可加速收敛，一般采用可加速收敛，一般采用2%3%。混凝土压碎的设置混凝土压碎的设置当不考虑混凝土压碎时，计算容易收敛。当不考虑混凝土压碎时，计算容易收敛。分析时建议关掉压碎选项，如果必须设置压碎选项，则需通分析时建议关掉压碎选项，如果必须设置压碎选项，则需通过不断调整以获得正常收敛，以改变收敛准则和收敛精度最过不断调整以获得正常收敛，以改变收敛准则和收敛精度最为有效。为有效。关闭开裂选项时将参数关闭开裂选项时将参数C3设为设为-1
47、，关闭压碎选项时将参数，关闭压碎选项时将参数C4设为设为-1。 石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏33/611 概述加载点和支承处处理加载点和支承处处理 点荷载引起应力奇异，引起加载点过早开裂或压碎，造成收点荷载引起应力奇异，引起加载点过早开裂或压碎，造成收敛困难。支承处同样会引起应力集中，造成收敛困难。解决方敛困难。支承处同样会引起应力集中，造成收敛困难。解决方法是在加载点增加弹性垫板或施加面荷载防止产生应力奇异，法是在加载点增加弹性垫板或施加面荷载防止产生应力奇异，增大支承处单元尺寸可防止应力集中。增大支承处单元尺寸可防止应力集中。下降段求解与粘接滑移下降段求解与粘接滑移
48、 需要计算下降段时，应采用位移加载。需要计算下降段时，应采用位移加载。 钢筋和混凝土粘接滑移可采用界面单元（如双弹簧单元），钢筋和混凝土粘接滑移可采用界面单元（如双弹簧单元），也可采用折减钢筋弹性模量的近似方法，其折减量建议为也可采用折减钢筋弹性模量的近似方法，其折减量建议为60%80%60%80%。当为反复荷载作用时，由于滑移量较大，建议采。当为反复荷载作用时，由于滑移量较大，建议采用界面单元方法。用界面单元方法。其他选项其他选项打开线性搜索、预测等项，可加速收敛，但有时花费巨大且不打开线性搜索、预测等项，可加速收敛，但有时花费巨大且不能根本上解决收敛问题。能根本上解决收敛问题。 石家庄铁道
49、大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏34/612 分离式模型20100=200010018001003030303003015032221010100P10001000 如图所示的钢筋混凝土简支梁，混凝土采用如图所示的钢筋混凝土简支梁，混凝土采用C30，钢筋全部采用钢筋全部采用HRB335。跨中集中荷载。跨中集中荷载P作用于一刚性作用于一刚性垫板上，垫板尺寸为垫板上，垫板尺寸为150100mm。 石家庄铁道大学研究生课程结构工程仿真技术讲稿-王新敏35/612 分离式模型模型与单元模型与单元 分离式模型：混凝土分离式模型：混凝土SOLID65单元，钢筋单元，钢筋LINK8单元；单元； 粘
50、接滑移：不考虑；粘接滑移：不考虑； 创建模型：将几何实体以钢筋位置切分，划分网格时将实创建模型：将几何实体以钢筋位置切分，划分网格时将实 体的边线定义为钢筋。体的边线定义为钢筋。 加载点：均布荷载。加载点：均布荷载。 支座：线约束。支座：线约束。 模型大小：利用对称性，创建模型大小：利用对称性，创建1/4模型。模型。 网格尺寸：单元尺寸以网格尺寸：单元尺寸以50mm左右为宜。左右为宜。材料性质材料性质 当有试验资料时应采用试验数据。当有试验资料时应采用试验数据。 这里均采用这里均采用混凝土结构设计规范混凝土结构设计规范(GB50010-2002)规定的规定的强度设计值。强度设计值。 石家庄铁道
