短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系彈塑性靜力仿真分析

1、基于基于ANSYSANSYS的工程結(jié)構(gòu)仿真試驗(yàn)研究的工程結(jié)構(gòu)仿真試驗(yàn)研究王建祥蘇枋李雙喜于建軍（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室與基地管理處河北科技師范學(xué)院土木建筑系）摘要：針對實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備的不足，介紹了仿真試驗(yàn)的諸多優(yōu)點(diǎn)：能夠彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)室硬件條件的局限；具有可以節(jié)約大量的人力、物力和財(cái)力；同樣的試驗(yàn)可以重復(fù)做多次，且縮尺模型試驗(yàn)不具有“失真”效應(yīng)等。根據(jù)仿真試驗(yàn)的思路，利用ANSYS軟件對L形短肢剪力墻進(jìn)行了承載能力分

2、析。仿真試驗(yàn)不僅拓寬了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的空間，而且為學(xué)生創(chuàng)新能力和科研能力提供了有利的途徑。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：ANSYS工程結(jié)構(gòu)仿真試驗(yàn)研究計(jì)算機(jī)仿真是對自然現(xiàn)象、系統(tǒng)工程、運(yùn)動規(guī)律以至人腦思維等客觀世界進(jìn)行逼真的模擬。這種仿真是數(shù)值模擬進(jìn)一步發(fā)展的必然結(jié)果。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，仿真技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于航天、航空系統(tǒng)、交通運(yùn)輸系統(tǒng)、庫存系統(tǒng)、市場預(yù)測系統(tǒng)等各個領(lǐng)域中，并取得了明顯的效果。現(xiàn)在鋼筋混凝土有限元理論已廣泛應(yīng)用于土木工程領(lǐng)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(chǎn)生，如：ANSYS、SAP、NASTRAN等[1]。結(jié)構(gòu)試驗(yàn)在“混凝土結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范都是以大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)而建立起來的。體型特殊、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的混凝土結(jié)構(gòu)物往往還要通過整體結(jié)構(gòu)的模型試驗(yàn)來驗(yàn)證設(shè)計(jì)理論、改進(jìn)設(shè)計(jì)方法。在結(jié)構(gòu)試驗(yàn)教學(xué)中，仿真試驗(yàn)彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的不足，使結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有系統(tǒng)性、設(shè)計(jì)性和科學(xué)研究性，為培養(yǎng)學(xué)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(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用日益普遍。一、計(jì)算機(jī)仿真試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)一、計(jì)算機(jī)仿真試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)計(jì)算機(jī)仿真試驗(yàn)具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、模擬試驗(yàn)系統(tǒng)提供仿真的試驗(yàn)環(huán)境和設(shè)備條件，彌補(bǔ)實(shí)際實(shí)驗(yàn)室硬件條件的局限，減少試驗(yàn)設(shè)備投入，緩解了試驗(yàn)時間和空間的限制以及實(shí)驗(yàn)設(shè)備的矛盾，而且不會因操作失誤而損壞儀器設(shè)備。2、計(jì)算機(jī)仿真是利用計(jì)算機(jī)模型進(jìn)行試驗(yàn)，它具有利用模型進(jìn)行試驗(yàn)的一系列優(yōu)點(diǎn)，費(fèi)用低、且易于進(jìn)行真實(shí)系統(tǒng)難

5、以實(shí)現(xiàn)的各種試驗(yàn)等。3、有些系統(tǒng)的模型難以用一般的數(shù)學(xué)形式表達(dá)；有的雖然能用數(shù)學(xué)形式表達(dá)，但沒有解析方法求解；有的雖然有解析解，但其數(shù)學(xué)過程過于復(fù)雜、計(jì)算量過大，往往需要耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力，同樣的試驗(yàn)很難重復(fù)做多次，且縮尺模型試驗(yàn)具有“失真”效應(yīng)。用計(jì)算機(jī)仿真則不受這些限制，從而便于仿真技術(shù)的推廣。正因?yàn)橛幸陨弦幌盗袃?yōu)點(diǎn)，計(jì)算機(jī)仿真已經(jīng)成為科學(xué)研究的一個重要方法。二、結(jié)構(gòu)仿真試驗(yàn)的基本思路二、結(jié)構(gòu)仿真試驗(yàn)的基本思路仿真技術(shù)實(shí)質(zhì)上

6、就是建立仿真模型和進(jìn)行仿真試驗(yàn)的技術(shù)。計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)上開發(fā)仿真系統(tǒng)。第三步，應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。結(jié)構(gòu)仿真分析必須有三個條件：（1）有關(guān)材料的本構(gòu)關(guān)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(shù)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)?；谶@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(jié)構(gòu)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，為避免混凝土在加載時由于應(yīng)力集中而發(fā)生壓碎破壞，故在試件上方設(shè)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(rèn)為剛性梁和試件在x、y和z三個方向上位移協(xié)調(diào)，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(yàn)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(xiàn)[7]確定。表1試驗(yàn)采用鋼筋材料性能鋼筋種類強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（）2mmN強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（）2mmN彈性模量()2510mmN?HPB235（Q235）2352102.1（四）仿真試驗(yàn)采用的本構(gòu)關(guān)系（四）仿真試驗(yàn)采用的本構(gòu)關(guān)系有限元方法的準(zhǔn)確性受許多因素的影響，如單元形式、網(wǎng)格劃分的大小、計(jì)算算法的選擇和計(jì)算精度等影響。故采用空間單元形式對其進(jìn)行有限元計(jì)算。在劃分網(wǎng)格時，把一個構(gòu)件劃分成了上千個單元，計(jì)算精度已經(jīng)達(dá)到了準(zhǔn)確性的要求。所以，在選擇

9、混凝土的應(yīng)力——應(yīng)變關(guān)系時，采用文獻(xiàn)[7]中的混凝土受壓的本構(gòu)關(guān)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(yàn)時，就變形而言，在樓層范圍內(nèi)，短肢剪力墻的兩個端截面由于受平面內(nèi)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(cè)移，其中豎向荷載引起的壓縮變形及應(yīng)力圖4混凝土本構(gòu)關(guān)系可視為均勻分布，屬于簡單靜定問題。而構(gòu)件兩端截面相對側(cè)移最能反映構(gòu)件在實(shí)際結(jié)構(gòu)體系中的橫向工作狀態(tài)，可將構(gòu)件復(fù)雜的力學(xué)

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(yàn)采用推覆分析方法。首先，在剛性梁上施加軸向荷載，該數(shù)值大小由試驗(yàn)設(shè)計(jì)的軸壓比大小確定。在整個試驗(yàn)過程中，保持軸向荷載數(shù)值不變。隨后在Y軸負(fù)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(yàn)結(jié)果分析四、仿真試驗(yàn)結(jié)果分析（一）仿真試驗(yàn)結(jié)果（一）仿真試驗(yàn)結(jié)果通過逐漸增大軸壓比和配筋率，對試件分別進(jìn)行仿真試驗(yàn)后，確定軸壓比和截面配筋率對L形