钢筋混凝土有限元在-ANSYS-中的实现

钢筋混凝土结构非线性有限元在ANSYS 中

的分析

王宝辉

（武汉理工大学土建学院430070）

摘要:钢筋混凝土在土木工程中应用最为广泛,ANSYS 是功能最为齐全，是当今国际上流行的有限元分析软件,提供了多种单元模型和材料模型.但是由于混凝土材料的力学性能较为复杂.很难选取一种合适的模型来摸拟混凝土材料的本构关系。经济快捷的利用 ANSYS 对混凝土结构进行数值模拟计算，对提高整个土木工程行业的设计水平和质量，增加工程的综合经济效益有着重要的意义。非线性有限元方法可以满足人们对钢筋混凝土结构深入认识的需要,但是对钢筋混凝土结构进行有限元分析还存在不少困难。最后,结合一具体钢筋混凝土简支梁,应用ANSYS对其进行了有限元分析,并将计算值与实测值比较,结果表明该方法精度较高。

关键词: ANSYS;钢筋混凝土; 非线性有限元; 混凝土本构模型

Nonlinear Finite Element Analysis of Reinforced Concrete strueture with

ANSYS

Wang Baohui

（College of Civil Engineering and Architecture, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070）Abstract: Reinforced concrete and prestressed concrete structure applies in the civil engineering widely, ANSYS is the large-scale general FEA software whose function is most complete , Popular finite element code ANSYS provide many element models and material models, however it is still difficult to choice a proper model because the material properties of concrete are complex. It has great significance that to enhance the design level and the quality of the entire civil engineering profession and to increase comprehensive economic benefit of project, if the civil engineers can make expertly numerical simulation to concrete structure with ANSYS. Nonlinear finite element method for reinforced concrete structures to meet people 's needs in-depth understanding , but of reinforced concrete structures for finite element analysis are still many difficulties.Finally, a concrete reinforced concrete simply supported beam, the ANSYS finite element analysis was carried out , and the calculated value is compared with the measured values , the results show that the method has a high accuracy.

Key words: ANSYS; reinforcement concrete structure ; nonlinear finite element; constitutive model of concrete 1前言

混凝土是一种力学性能十分复杂的建筑材料,由水泥、砂、石、水及各种外加剂硬化而成,成分复杂,性能多样.迄今为止,还不能说对混凝土的力学性能己经完全掌握了。对于钢筋混凝土结构的分析和强度计算,传统的方法是建立基于大量试验研究的经验公式,对于常规设计而言,这种方法仍不失其实用价值。但是基于试验数据的经验公式并不能满足人们对钢筋混凝土结构深入认识的需要,诸如混凝土的弹塑性性质、混凝土的开裂及钢筋与混凝土的交互作用等。

1967年,Ngo和Scordelis将有限元方法应用于分析混凝土梁。随着计算机技术的快速发展,非线性有限元法在钢筋混凝土结构分析中得到了广泛的应用,它不仅应用于普通建筑构件,如梁、板、剪力墙等.也应用于人型特殊复杂结构。同时对于结构和构件的全过程分析,必须借助非线性有限元方法才能得出合理的结论。此外非线性有限元还能够帮助和改进一部分试验,应用非线性有限元法对于减少试验数量、减轻试验的劳动量、提高效率很有意义。

但是,和一般连续介质力学中的有限元方法相比,对钢筋混凝土结构进行有限元分析还存在不少困难,这些困难主要存在于:钢筋和混凝土是力学性能很不相同的材料。混凝土材性复杂、成分多样,特别是在复杂应力状态和加载历史下,其本构关系还有许多问题值得研究。在荷载作用下,一般钢筋混凝土结构是带裂缝工作的.混凝土的变形(如收缩和徐变)和时间相关,另外,影响混凝土和钢筋之间粘结滑移的因素也很多,其中规律还有待深入研究。钢筋混凝土结构的非线性有限元分析离开了计算机是不可能实现的,因此程序编制特别重要。本文针对梁、剪力墙等在实际工程中大量使用的结构构件,编制了钢筋混凝土非线性有限元程序,为非线性有限元法在实际工程中的应用做了一些尝试.

2钢筋混凝土结构有限元模型

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、整体式和组合式模型。

2.1分离式模型

分离式模型把混凝土和钢筋作为不同的单元来处理,即混凝土和钢筋各自被划分成足够小的单元,两者的刚度矩阵是分开来求解的。作为细长材料的钢筋,通常可以忽略其横向抗剪强度,当作线性单元处理。钢筋与混凝土之间可以插入粘结单元来模拟钢筋与混凝土之间的粘结与滑移。一般情况下钢筋混凝土结构是存在裂缝的,而开裂必然导致钢筋与混凝土变形的不协调,也就是说要发生粘结失效与滑移,所以此种模型的应用最为广泛。

2.2 整体式模型

整体式模型假定混凝土和钢筋粘结很好,将钢筋分布于整个单元中,并把单元视为连续均质材料,采用混凝土钢筋复合的本构关系,把混凝土、钢筋二者的贡献组合起来,一次求得综合的单元刚度矩阵。其优点是建模方便,分析效率高,但缺点是不适用于钢筋分布较不均匀的区域,且得到钢筋内力比较困难。主要用于有大量钢筋且钢筋分布较均匀的构件中,譬如剪力墙或楼板结构。

2.3 组合式模型

组合式模型是假设钢筋以一个确定的角度分布在整个单元中,并假设混凝土与钢筋之间存在着良好的粘结,认为两者之间无滑移。组合式模型分为两种:一种是分层组合式,在横截面上分成许多混凝土层和若干钢筋层,并对截面的应变作出某些假设,这种组合方式在钢筋混凝土板、壳结构中应用较广;另一种组合方法是采用带钢筋的等参数单元。该单元刚度矩阵推导时分别求出各自的单元刚度,然后组合起来。

在ANSYS中进行钢筋混凝土非线性分析,最为常用的是分离式模型:混凝土(SOLID65单元) +钢筋(LINK单元或PIPE单元),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。如果比较困难也可以采用整体式模型(带筋的SOLID65)。

3 单元类型及混凝土的破坏准则和本构关系

对钢筋混凝土结构进行非线性有限元分析,其关键在于选择合理的单元类型与材料本构关系。因为只有在合理的单元类型与材料本构关系的基础上才能建立符合钢筋混凝土性能的有限元模型。即该模型可模拟结构自开始受荷直至破坏的全过程,能得到关于结构在弹性阶段的受力性能、混凝土塑性影响、裂缝的形成和发展、钢筋的屈服与强化以及混凝土压碎破坏等大量信息,从而可以确定结构的开裂荷载、破坏荷载等结构的重要特性,为设计提供可靠依据。

3.1 单元类型的选取

ANSYS单元库中用于模拟混凝土的单元为SOLID65单元,是专为混凝土、岩石等抗压能力远大于抗拉能力的非均匀材料开发的单元。它可以模拟混凝土中的加强钢筋（或玻璃纤维、