混凝土的ANSYS分析

【原创】钢筋混凝土分离式建模方法（含ANSYS命令流）

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命令

一、简介

钢筋混凝土有限元建模的方法与结果评价（前后处理），是对钢筋混凝土结构进行数值模拟的重要步骤，能否把握模型的可行性、合理性，如何从计算结果中寻找规律，是有限元理论应用于实际工程的关键一环。Blackeage以自己做过的一组钢筋混凝土暗支撑剪力墙的数值模拟为例，从若干方面提出一些经验与建议。希望大家一起讨论、批评指正(wang.jian@)。

程序：ANSYS 单元：SOLID65、BEAM188 建模方式：分离

暗支撑剪力墙结构由北京工业大学曹万林所提出，简言之就是一种在普通钢筋配筋情况下，加配斜向钢筋的剪力墙结构。

二、单元选择

以前经常采用的钢筋混凝土建模方法是通过SOLID65模拟混凝土，通过SOLID65的实常数指定钢筋配筋率，后来发现这种整体式的模型并不理想，而且将钢筋周围的SOLID65单元选择出来，再换算一个等效的配筋率，工作量也并不小。最关键的是采用整体式模型之后，得不出什么有意义的结论，弄一个荷载-位移曲线出来又和实验值差距比较大。只有计算的开裂荷载与实验还算是比较接近，但这个

手算也算得出来的东西费劲去装模作样的建个模型又有什么意义？

所以，这次我尝试采用分离式的模型，钢筋与混凝土单元分别建模，采用节点共享的方式。建模时发现，只要充分、灵活地运用APDL

的技巧，处理好钢筋与混凝土单元节点的位置，效率还是很高的。

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暗支撑剪力墙数值模型[/center]

看过很多的资料，分离式模型是用LINK8与SOLID65的组合方式，这样做到是非常直观，因为LINK8是spar类型的单元，每个节点有3个自由度，这与SOLID65单元单节点自由度数量是一致的。但是问题也就由此产生，当周围的混凝土开裂或是压碎时，SOLID65将不能对LINK8的节点提供足够地约束（如下图箭头方向），从而导致总刚矩阵小主元地出现影响计算精度，或者干脆形成瞬变体系导致计

算提前发散。

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LINK8+SOLID65的问题[/center]

如果采用梁单元模拟暗钢筋，就算包裹钢筋的混凝土破坏了，钢筋单元本身仍可对连接点提供一定的侧向刚度（其实钢筋本身就是有一定抗弯刚度的），保证计算进行下去。ANSYS中的梁单元比较多，建议选取beam188单元。beam188支持弹塑性分析、自定义截面。可以用内力计算结果按截面插值得出应力结果，这样，SOLID65+beam188不仅解决了SOLID65+beam188的小主元问题，而且可以方便地控

制钢筋单元的划分密度，也扩充了钢筋单元输出信息。

三、单元组合方式

将剪力墙中所有钢筋单元（包括暗柱、梁的纵、箍筋、暗支撑钢筋、暗支撑箍筋、暗分布筋）单独建模，为了能够与混凝土单元节点共享，将混凝土单元细化，单元高度设为暗柱箍筋间距与墙片分布筋间距的最大公约数。

钢筋与混凝土单元节点共享。不考虑粘接-滑移影响。其实由于混凝土单元已经细化过了，钢筋周围的混凝土由于钢筋作用而开裂之

后，钢筋节点受到混凝土的约束降低，这也相当于引入了一部分粘接-滑移的力学作用，只不过没有考虑进大变形、大滑移时的几何非线

性及边界非线性因素。

四、混凝土开裂与压碎判定

采用最大拉应力准则判定混凝土开裂，采用WW准则判定混凝土压碎。在许多文章中都建议关闭混凝土压碎判定以改善收敛，个人认为得不偿失，关闭了压碎特性将过高地估计构件的承载力及后期刚度，一个错误的、与实际出入很大的计算结果的收敛性再好，即使弹出了激动人心的solution is done又有什么意义呢？至于收敛性，可以通过其它的方式来改善。

五、本构关系

经试算发现，混凝土单元选用随动强化模型时将难以收敛，选用等向强化模型则好得多，而且混凝土的随动特性并不明显。所以注意选用等向强化模型。由于已经打开了压碎判定，所以，材料特性中只给出一个初始弹性模量即可，当然也可采用多线性等向模型，但

对结果影响不大。

六、改善收敛的方法

ANSYS中的SOLID65单元收敛性并不是太好，有时甚至很难得到收敛的计算结果，所以保证数值模型的收敛成为用ANSYS对钢筋混凝土结构进行数值模拟中至关重要环节。经反复计算，并汇总大家总结的规律，罗列如下：

1.打开自动时间步长。

2.钢筋采用beam188梁单元。

3.水平加载时采用残余位移收敛准则。

4.虽然混凝土与钢筋单元单独建模，但可以在混凝土单元中加入一个很小配筋率的弥散钢筋，这些钢筋并不是实际的，而是数值的，

它可以在混凝土单元破坏时对节点提供一点约束，减少总刚突变。

5.采用等向强化的弹塑性模型。

清华大学江见鲸在其有限元讲义当中提到SOLID65单元尺寸不能太小，否则会引起单元的提前破坏，但我觉得，这到是一个适当地引入粘结-滑移影响的方式，而且强行的限制单元的尺寸，也使得分离式建模难以实现。当然，一定要保证SOLID65的单元是长方体，且

网格疏密过渡平缓。

七、关于裂缝分布、裂缝宽度分布

在ANSYS中，裂缝的模拟采用弥散的形式，弥散裂缝模型在宏观上结构等效，但它基于最大拉应力准则，一但某一单元开裂，将会引起“连锁反应”，导致大面积开裂，这与实际的情况是不相符的，所以，弥散裂缝的分布与试验中试件的实际裂缝没有可比性。但是通过观察暗支撑暗力墙与传统剪力墙的数值裂缝分布，仍然能发现某些规律。

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左：无暗支撑，右：带有暗支撑[/center]

由上图可见，在相同的荷载水平下（190kN）传统剪力墙的数值模型已经大面积开裂，而配有暗支撑的剪力墙开裂面积较小，在墙体中央部位产生局部裂缝，这说明暗支撑钢筋对于抑制大面积裂缝开展，以及改善裂缝分布有着积极的作用。

然而这种裂缝分布图的信息量还是太少，有时无法从中比较出结果，比如我做的另外两个高耸的暗支撑墙。