短肢剪力墻結構體系彈塑性靜力仿真分析

1、基于基于ANSYSANSYS的工程結構仿真試驗研究的工程結構仿真試驗研究王建祥蘇枋李雙喜于建軍（新疆農業(yè)大學水利與土木工程學院.新疆農業(yè)大學實驗室與基地管理處河北科技師范學院土木建筑系）摘要：針對實驗教學設備的不足，介紹了仿真試驗的諸多優(yōu)點：能夠彌補實驗室硬件條件的局限；具有可以節(jié)約大量的人力、物力和財力；同樣的試驗可以重復做多次，且縮尺模型試驗不具有“失真”效應等。根據仿真試驗的思路，利用ANSYS軟件對L形短肢剪力墻進行了承載能力分

2、析。仿真試驗不僅拓寬了實驗教學的空間，而且為學生創(chuàng)新能力和科研能力提供了有利的途徑。關鍵詞關鍵詞：ANSYS工程結構仿真試驗研究計算機仿真是對自然現象、系統(tǒng)工程、運動規(guī)律以至人腦思維等客觀世界進行逼真的模擬。這種仿真是數值模擬進一步發(fā)展的必然結果。隨著計算機科學的發(fā)展，仿真技術已經廣泛地應用于航天、航空系統(tǒng)、交通運輸系統(tǒng)、庫存系統(tǒng)、市場預測系統(tǒng)等各個領域中，并取得了明顯的效果?，F在鋼筋混凝土有限元理論已廣泛應用于土木工程領域，這方面發(fā)展

3、越來越迅速，而大型的通用有限元軟件也隨之產生，如：ANSYS、SAP、NASTRAN等[1]。結構試驗在“混凝土結構理論”的誕生和發(fā)展過程中起著不可估量的作用。目前世界各國的混凝土結構設計規(guī)范都是以大量的試驗數據為基礎而建立起來的。體型特殊、結構復雜的混凝土結構物往往還要通過整體結構的模型試驗來驗證設計理論、改進設計方法。在結構試驗教學中，仿真試驗彌補實驗設備的不足，使結構實驗教學具有系統(tǒng)性、設計性和科學研究性，為培養(yǎng)學生動手能力和創(chuàng)新

4、能力提供了一個好的平臺[23]。所以近年來，計算機仿真技術在結構工程中的應用日益普遍。一、計算機仿真試驗的優(yōu)點一、計算機仿真試驗的優(yōu)點計算機仿真試驗具有以下優(yōu)點：1、模擬試驗系統(tǒng)提供仿真的試驗環(huán)境和設備條件，彌補實際實驗室硬件條件的局限，減少試驗設備投入，緩解了試驗時間和空間的限制以及實驗設備的矛盾，而且不會因操作失誤而損壞儀器設備。2、計算機仿真是利用計算機模型進行試驗，它具有利用模型進行試驗的一系列優(yōu)點，費用低、且易于進行真實系統(tǒng)難

5、以實現的各種試驗等。3、有些系統(tǒng)的模型難以用一般的數學形式表達；有的雖然能用數學形式表達，但沒有解析方法求解；有的雖然有解析解，但其數學過程過于復雜、計算量過大，往往需要耗費大量的人力、物力和財力，同樣的試驗很難重復做多次，且縮尺模型試驗具有“失真”效應。用計算機仿真則不受這些限制，從而便于仿真技術的推廣。正因為有以上一系列優(yōu)點，計算機仿真已經成為科學研究的一個重要方法。二、結構仿真試驗的基本思路二、結構仿真試驗的基本思路仿真技術實質上

6、就是建立仿真模型和進行仿真試驗的技術。計算機仿真的過程一般有三個步驟（圖1）：第一步，建立仿真模型。第二步，在計算機上開發(fā)仿真系統(tǒng)。第三步，應用計算機仿真系統(tǒng)進行仿真實驗。結構仿真分析必須有三個條件：（1）有關材料的本構關系，或物理模型，這可以由小尺寸試件的性能得到。（2）有效的數值方法，如差分法，有限元法。（3）豐富的圖形顯示軟件及各種視景系統(tǒng)。基于這三個條件的仿真分析思路，見圖2。3寸見圖1。試件比例為1:1，鋼筋混凝土采用整體式模

7、型。在結構的試驗模型中，為避免混凝土在加載時由于應力集中而發(fā)生壓碎破壞，故在試件上方設置了與試件平面尺寸圖3試件模型相同的剛性梁。把豎向荷載和水平荷載均施加在剛性梁上，由剛性梁把力傳給試件。并認為剛性梁和試件在x、y和z三個方向上位移協(xié)調，無相對滑移。即可視為一個物體，只是在物體的不同部分分別具有各自的材料特性。（圖3）。（三）材料性能（三）材料性能試驗中的鋼筋采用HPB235（Q235）普通鋼筋（表1），采用C30混凝土，其材料性能由

8、文獻[7]確定。表1試驗采用鋼筋材料性能鋼筋種類強度標準值（）2mmN強度設計值（）2mmN彈性模量()2510mmN?HPB235（Q235）2352102.1（四）仿真試驗采用的本構關系（四）仿真試驗采用的本構關系有限元方法的準確性受許多因素的影響，如單元形式、網格劃分的大小、計算算法的選擇和計算精度等影響。故采用空間單元形式對其進行有限元計算。在劃分網格時，把一個構件劃分成了上千個單元，計算精度已經達到了準確性的要求。所以，在選擇

9、混凝土的應力——應變關系時，采用文獻[7]中的混凝土受壓的本構關系（圖4）。（五）邊界條件及加載方式（五）邊界條件及加載方式在仿真試驗時，就變形而言，在樓層范圍內，短肢剪力墻的兩個端截面由于受平面內剛度極大的上下層樓蓋體系的約束，其變形主要為豎向壓縮和端截面橫向相對側移，其中豎向荷載引起的壓縮變形及應力圖4混凝土本構關系可視為均勻分布，屬于簡單靜定問題。而構件兩端截面相對側移最能反映構件在實際結構體系中的橫向工作狀態(tài)，可將構件復雜的力學

10、邊界條件以簡單的位移邊界條件替代[8]。剪力墻分析模型的底端被完全約束。仿真試驗采用推覆分析方法。首先，在剛性梁上施加軸向荷載，該數值大小由試驗設計的軸壓比大小確定。在整個試驗過程中，保持軸向荷載數值不變。隨后在Y軸負方向，在剪力墻頂部的剛性梁上逐步加載水平荷載，直到試件最終破壞。四、仿真試驗結果分析四、仿真試驗結果分析（一）仿真試驗結果（一）仿真試驗結果通過逐漸增大軸壓比和配筋率，對試件分別進行仿真試驗后，確定軸壓比和截面配筋率對L形