钢筋混凝土结构的动力增量分析

靳 鑫，王晓林

（太原理工大学建筑与土木工程学院，山西 太原 030024）

钢筋混凝土结构的动力增量分析

靳 鑫，王晓林

（太原理工大学建筑与土木工程学院，山西 太原 030024）

结合钢筋混凝土的材料特性，介绍了基于ANSYS软件对钢筋混凝土结构进行非线性分析的重要问题，探讨了ANSYS在预处理模块、分析计算模块和后处理模块中的具体技术要点。文章重点介绍了动力增量分析方法的原理，通过与push-over方法的对比，得出了该方法所具有的优势，并通过针对钢筋混凝土结构来具体介绍增量动力分析法的应用。

ANSYS；钢筋混凝土；非线性有限元分析；动力增量分析

1 概述

钢筋混凝土是一种复合型材料，其受力分析十分复杂。具体表现有：①混凝土和钢筋相比，其抗拉强度很低，约为钢筋抗拉强度的1/10，因此，通常情况下钢筋混凝土结构中的混凝土属于带裂缝工作，而最初的线弹性有限元分析理论又无法反映结构的内部塑性区和裂缝的开展情况等等，所以裂缝的出现大大增加了结构分析的难度；②钢筋和混凝土之间虽然有黏结作用，但是二者之间还是会涉及到共同作用的问题，这也是在分析结构建模时必须要考虑到的问题；③混凝土与钢筋不同，其本身就是由多种原材料复合加工而成，故它是一种弹塑性材料，其力学性能呈现非线性，即应力、应变之间是非线性关系。

文章从钢筋混凝土的特殊性能入手，具体介绍ANSYS在钢筋混凝土结构中的应用情况，并通过与push-over分析方法的对比，应用增量动力分析方法进行结构分析。

2 钢筋混凝土非线性分析特点

对于钢筋混凝土结构，非线性有限元结构分析方法比线弹性有限元方法具有“全过程仿真”的优势。首先是“仿真性”，在线弹性有限元分析中，混凝土和钢筋都被看作是线弹性体，其材料特性由弹性模量和泊松比来表示。钢筋混凝土材料中许多材料特性没有被反映出来，而在非线性有限元分析中，可以反映钢筋混凝土特性，其特性有：①混凝土的非线性本构关系；②多轴状态下的破坏准则；③混凝土开裂及开裂后表现；④混凝土与钢筋的共同作用；⑤混凝土温度场、徐变、干缩、环境湿度等时间性因素影响。其次是“全过程分析”，如果采用动量增量法分析，即在计算过程中逐级加载，从零荷载开始逐级加载，直至结构发生破坏，反映了结构材料处于线弹性阶段——弹塑性阶段——钢筋屈服阶段——结构破坏阶段全过程的受力情况，故非线性有限元分析具有完整性特点。

3 混凝土在ANSYS中建模时的单元选择

3.1 单元选择

在ANSYS给定的单元计算类型中选用solid65单元来模拟混凝土，solid65单元是具备8个节点6个面的三维实体单元，每个节点共有3个方向的自由度，即Ux，Uy和Uz。之所以选择solid65单元来模拟混凝土，是因为该单元考虑了混凝土的材料特性，包括因塑性和徐变引起的材料非线性、因大位移引起的几何非线性，还包括因混凝土的开裂或压碎引起的非线性等等。Solid65单元是目前为止最适合模拟混凝土这种非线性材料的单元。

3.2 定义材料性质

混凝土本构关系的模型对钢筋混凝土结构的非线性分析有重大影响，在建立混凝土本构关系时一般都是基于现有的连续介质力学的本构理论，再结合混凝土的力学特性，然后调整本构关系中各种所需的材料参数。通常混凝土的本构关系可以分为线性弹性、非线性弹性、弹塑性及其他力学理论等四类。其中研究最多的是非线性弹性和弹塑性本构关系。

线性弹性本构关系认为应力、应变，加载、卸载时呈线性关系，完全服从胡克定律，应力与应变是相互对应的关系。在实际结构设计中线性弹性仍然是应用很广泛的本构关系模型。非线性弹性本构关系则认为应力和应变不成正比，但是有对应关系。卸载后没有残余应变，应力状态完全由应变状态决定，而与加载历史无关。非线性弹性本构关系分为全量型（如Ottosen模型）和增量型（如Darwin-Pecknold模型）两类。

4 模型网格的划分

ANSYS中对模型的网格划分有两种方法:自由网格划分和映射网格划分。自由网格划分对于单元形状没有限制，并且没有特定的准则。与自由网格相比，映射网格划分就对单元形状有限制。而且必须要满足特定的规则。映射面网格包含四边形和三角形单元，映射体网格只包含六面体单元。映射网格具有规则形状明显成排的单元，如果想要这种网格类型，必须将模型划分成具有一系列规则的体和面，但映射网格的优点就是有利于结点数据的储存、计算速度快、耗时少。

5 增量动力分析方法原理

抗震设计经历了静力理论分析阶段、反应谱理论阶段及动力理论阶段。近几年，性能的抗震设计理论与方法得到许多学者的青睐，其主要方法有两种：静力推覆分析法和动力增量分析法。动力增量分析方法即为逐步增量弹塑性时程方法，主要是以场地地震面运动时程为荷载作用，以大量实验总结得到的结构截面及结点力与位移关系模型，反映地震作用下结构中各截面和结点的刚度变化。具体的分析过程是通过分析不同强震记录作用下结构的非线性动力位移响应，来确定或检验结构的抗倒塌能力。由于该分析过程是非线性动力过程，能较好地反映结构在未来可能遇到的不同强震作用下刚度、强度以及变形能力的变化全过程。

对于一条特定地震动输入，通过设定一系列单调递增的地震强度指标，并对每个地震强度指标进行结构弹塑性时程分析，可得到结构在不同地震强度作用下的一系列弹塑性地震响应。最后便可得到一条地震动强度——结构在地震作用下的破坏程度曲线，即IDA曲线。其中，常用的表示地震动强度的参数有峰值地面加速度、峰值地面速度、谱加速度等，表征结构在地震作用下的破坏程度的常用参数有基底最大剪力、顶点最大位移、延性和各种损伤指数等。

6 增量动力分析方法比push-over有一定的优越性

增量动力分析与push-over相比，具有明显的优势：增量动力方法能够真实地反映结构的动态特性、非线性特性，所得结构能力的统计值也具有相对的稳定性，能够反映结构的极限变形能力，能更准确地反应结构在大震作用下的真实行为。

IDA曲线具有以下特征：

（1）能反应结构在未来可能遇到的不同强震作用下的需求能力和抗倒塌能力。

（2）能评估不同性能水准下的抗震性能状态。

（3）能较好的反映结构在强震作用下刚度、强度以及变形能力的变化过程。

7 结束语

目前，钢筋混凝土结构应用非常广泛，而且近些年来结构的抗震也成为了人们最为关注的一个问题，因此，文章针对钢筋混凝土结构的抗震分析方法进行了讨论。通过文章的分析，发现增量动力分析方法有着其自身的优越性，这是抗震分析领域的一大进展，随着有限元软件的不断发展，可以实现该方法的模拟，并且得出该方法比push-over方法的结果更接近真实地震作用下结构的响应。

由于篇幅有限，未能针对不同的结构体系来论证增量动力分析方法，只是介绍了钢筋混凝土的特点结合软件进行了介绍，在以后的实际工程中，希望能对这一抗震分析方法进行更加严密的理论论证。

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Incremental Dynamic Analysis of Reinforced Concrete

Jin Xin，Wang Xiaolin

Combinatingwith material propertyofreinforced concrete，the issues ofreinforced concrete structure for nonlinear analysis based on ansys are introduced in this paper.In order to promote the use of ANSYS，a series of key techniques is dicussed in preprocessor，solution and general postprocessor module ofANSYS software.This paper introduces principle ofincremental dynamic analysis.Comparing with push-over method，the advantage ofIDA(Incremental Dynamic Analysis)ways are founded.The application ofthe IDAis introduced for reinforced concrete.

ANSYS;reinforced concrete；nonlinear finite element analysis；incremental dynamic anlysis

TU375

A

1000-8136(2011)05-0006-02

靳鑫，女，1987年出生，太原理工大学建筑与土木工程学院硕士研究生。