钢筋混凝土梁在竖向荷载作用下的仿真分析

夏 哈

(上海理工大学环境与建筑学院，上海 200093)

钢筋混凝土梁在竖向荷载作用下的仿真分析

夏 哈

(上海理工大学环境与建筑学院，上海 200093)

基于ANSYS的仿真分析方法，对一钢筋混凝土梁进行了数值模拟研究，通过混凝土梁的一般分析过程，讨论了有限元模型的实现方法，得出了在ANSYS中布置钢筋的方法，并探讨了混凝土梁在竖向荷载作用下的整体变形和裂缝发展过程，同时给出了钢筋混凝土梁的荷载—位移曲线。

钢筋混凝土梁，有限元软件，模型，荷载

0 引言

混凝土结构构件常以不同的形式出现在桥梁、隧道、楼宇中。掌握这些构件在荷载作用下的力学响应对于结构整体的有效、安全服役是非常重要的。为了研究结构构件的力学响应前辈们采用了各种各样的方法。研究单个构件和混凝土在荷载作用下的强度效应多采用基于试验的分析方法。这是能反映真实情况的方法，然而非常费时，并且使用的材料较为昂贵。所以经常会采取有限元分析方法来研究这些构件[1]。钢筋混凝土结构以各种类型和存在方式大量地运用在工程实践中。基于一些实验数据，混凝土结构设计采用的是简化的设计方法和流程。然而，这些传统的经验主义的方法只适用于普通的、非常简单的钢筋混凝土结构构件设计，大型计算机的应用和有限元法的快速发展给复杂的结构系统提供了很多更加准确和可行的分析方法。采用有限元法分析钢筋混凝土结构的主要难点在于材料特性的确定和描述。人们已经在建立能预测钢筋混凝土结构的力学行为的真实模型上花费了很多时间和努力。由于材料天然的复杂特性，建立结构恰当的仿真模型很具有挑战性。目前，已经在钢筋混凝土结构的塑性性质、损伤理论、裂缝和开裂等领域取得了巨大的成就，但在很好地反映实际情况的仿真模型方面还存在很多不足。目前，已经开发了许多计算机程序，应用在对钢筋混凝土结构的有限元分析中。不同使用目的的程序代码可以用来提供各种各样的钢筋混凝土结构分析中的材料模型。作为设计工具，需要更多考虑这些计算机代码实现混凝土结构分析目的的能力。本文的主要研究目的是探讨各种钢筋混凝土模型的实际可操作性。主要通过ANSYS仿真模拟方法，对一般用途的钢筋混凝土模型采用有限元分析方法进行分析，并且通过对同一结构模型的一系列分析，寻找材料模型的不同特性。

1 材料分析模型

有限元软件version12@ANSYS，已被用于模拟分析混凝土梁。钢筋混凝土模型包括一个预测脆性材料失效机理的材料模型，并将其应用到包括钢筋的三维固体单元中。这种材料能够模拟张力开裂和压缩破碎，也可以进行塑性变形和蠕变。这种只能够拉伸和压缩的三轴材料，在任何方向都可以被用做整体式钢筋模型，其塑性行为和蠕变也可以考虑在钢筋中。

混凝土梁出现裂缝或压碎由破坏面确定，超过破坏面时，假如所有主应力是拉伸的，混凝土会开裂，假如所有主应力是压缩的，混凝土被压碎。这个压应力破坏面是基于William-Warnke破坏准则，并由5个材料参数决定。拉伸破坏由最大拉伸应力准则确定，并把张力截止和塑性变形考虑在内，该材料是线弹性的，直到到达破坏面上的破坏点时，在该方向的应力突然下降到零，并且既没有应变软化也不拉伸不压缩。用两个剪力传递系数来考虑开裂混凝土剪切刚度的保留，一种适用于开放的裂缝，另一种适用于闭合的裂缝。Tavarez(2001)讨论了存在钢筋的有限元模型钢筋混凝土模型三种技术，见图1。本文使用嵌入式模型(分离式模型(见图1c)))，它假定钢筋在整个混凝土构件中限定的有限元网格区域内均匀分布。这种方法被用于大尺度的模型，其中所述钢筋对该结构的总体响应并不明显。Fanning(2001)使用离散模型和分布式模型模拟混凝土梁中钢筋的响应。研究发现，最好的建模方法是钢筋建模时使用离散模型[1,2]。

2 ANSYS仿真结果分析

本文对简支钢筋混凝土梁承受均匀分布的垂直荷载进行了分析(见图2)。只考虑纵筋作用，梁的长度：1 800 mm，梁的截面尺寸：100 mm×200 mm。材料：C25。混凝土材料性能，抗拉强度为1.27 N/mm2，抗压强度为11.9 N/mm2，弹性模量为2.8×104N/mm2，泊松比为0.17；钢筋选用HBR400，抗拉强度为360 N/mm2，抗压强度为360 N/mm2，弹性模量为2.0×105N/mm2和泊松比为0.3。模型单元类型见表1。

表1 模型单元类型

由于横向和纵向对称，对1/4的梁进行分割，分割成具有分布钢筋的固体单元网格(见图3)。

已在建模中所使用的固体单元(Solid65)是支持在ANSYS中唯一适用于混凝土的单元。根据该事实，这是ANSYS在钢筋混凝土分析设计的实际应用中的主要和唯一的限制。根据不同的材料模型，梁模型被正确地分割并进行了分析。在分析梁模型提供的混凝土和钢筋都具有线性弹性，前者能张拉开裂和压缩破碎。在这个模型中压缩混凝土的破碎已被禁用，并已用基于Drucker-Prager屈服准则的理想弹塑性模型代替。在梁模型中，多线性单轴应力应变关系是一个抛物线，代表具体的抗压性能。最后，压碎已关联于多线性应力—应变曲线，以构成所述压缩模式混凝土，除了那些混凝土被认为是线性弹性的模型，钢筋也类似，所述钢筋处理为理想弹塑性。

Drucker-Prager屈服准则已经考虑到相关联的弹性完全塑性行为，因为任何其他方式可以在ANSYS的模拟过程中使用，这一事实造成了一定的不兼容，两者的破坏准则都是线性弹性发生较早，随后屈服和破碎的，防止了其他现象发生的可能。多线性硬化单轴应力—应变曲线的弹塑性模型还应用了Mises屈服准则，所以，它不能包括静水压力的影响，但它在结构分析中并不重要，由于其各向同性，采用这种塑性模型，混凝土梁模型在线弹性阶段的拉应力和压应力一样，但随着开裂的发展，线弹性阶段开裂应执行拉伸破坏所有分析。在垂直方向上施加的力为1 000 N～7 000 N。

经由ANSYS仿真软件计算，梁的裂缝和破碎的位移可以在分析模型中看出，见图4。

3 结语

根据ANSYS软件的数值模拟得到的数据，得到了钢筋混凝土梁的荷载位移曲线，用Excel软件的图表绘制功能绘出的图形见图5。

1)加载初期的荷载位移曲线显示的结果与已有的分析结果一致。曲线从最开始的线性关系到伴随着刚度的下降出现一个小的跳跃点，表示混凝土开始出现裂缝，之后变成了接近线弹性的关系。分布式钢筋模型在刚度退化的过程中呈现出一种更加平滑的变化。在数值荷载作用下模型上的区别就很快体现了出来。2)根据上述分析和讨论，说明使用ANSYS有限元分析步骤，对钢筋混凝土梁的有限元分析是可行的，并且有一定的可靠性。修正后的双折线各向同性硬化准则(BI-SO)是合理的弹塑性材料模型。多折线混凝土单轴受压应力应变关系(MISO)，没有考虑混凝土开裂行为的失效准则，导致结果过于理想化。然而，上述结论是从钢筋混凝土简支梁获得的，但是对其他混凝土结构分析应该也有同样相似的结论。3)本文中，钢筋混凝土梁的分析采用了一定的简化假定，不考虑钢筋和混凝土之间的滑移作用，以及箍筋的影响。接下来进一步研究有限元模型时，需要考虑配筋率、剪力滞后和箍筋等其他复杂因素，由此才能获得对混凝土结构更加精确的模拟结果。4)对比数值分析得到的数据，需要在实验室通过建立正确的梁模型进行试验，得到实际梁模型的试验结果和ANSYS仿真的梁模型得到的结果之间的相似性和不同之处，并进行两者之间的对比分析。

[1] Anthony J.，Wolanski.B.S.Flexural Behavior of Reinforced and Prestressed Concrete Beams Using Finite Element Analysis[D].Master’s Thesis,Marquette University,Milwaukee,Wisconsin，2004.

[2] Whale River, Lu Zheng, Ye Ping.Concrete structural finite element analysis [M].Beijing: Tsinghua University Press, 2004.

[3] Shang Xiaojiang, Qiu Feng, Zhao Haifeng, et al. Ansys advanced finite element analysis method and sample applications [M].Beijing:China Water Power Press,2005.

[4] Antonio F.Barbosa， Gabriel O.Ribeiro. Analysis of reinforced concrete structures using ansys nonlinear concrete model,1998.

The simulation analysis on reinforced concrete beam under vertical load

Ravindra Shah

(EnvironmentandBuildingSchool,ShanghaiUniversityofScienceandTechnology,Shanghai200093,China)

Based on ANSYS simulation analysis method, this paper made numerical simulation research on a reinforced concrete beams, through the general analysis process of concrete beam, discussed the realizing method of finite element model, obtained the method of arrangement of reinforcement in ANSYS, and discussed the whole deformation and crack development process of concrete beam under vertical load, given the load-displacement curves of reinforced concrete beams.

reinforced concrete beam, finite element software, model, load

2015-01-15

夏 哈(1983- )，男，在读硕士

1009-6825(2015)09-0035-02

TU375.1

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