钢筋混凝土非线性有限元分析在结构工程中的应用

张子文/华北理工大学

钢筋混凝土非线性有限元分析在结构工程中的应用

张子文/华北理工大学

钢筋混凝土结构由混凝土与钢筋两种材料组合而成。对于钢筋混凝土的各种性能通过实验可以进行很好的探索；但是，现实生活中往往由于人力财力的限制，导致不能对构件进行充分的实验探究，尤其是有些性能需要进行大量的重复性试验。这时就需要进行计算机软件进行模拟。非线性是钢筋混凝土一个非常重要的受力特征，运用计算机有限元分析方法可以对钢筋混凝土非线性问题进行很好的研究。

有限元分析；钢筋混凝土；非线性

一、钢筋混凝土结构材料特性与非线性有限元分析的意义

上文提到，钢筋混凝土是由钢筋和混凝土两种材料组合而成的。两种材料共同作用，之间具有很复杂的本构关系。而且在实际工程中，很多时候构件并非完好无损，而是在裂缝状态下工作。随着时间推移，裂缝处会发生变化。因此分析一个构件从加载到破坏是十分复杂的过程。

实验是对钢筋混凝土进行受力分析的最好方法，这也是对自然学科进行探究的必然过程。但是，现实生活中往往由于科学技术的限制，试验场地的限制以及财力等种种因素的制约导致我们无法进行实验研究。

同时，钢筋混凝土构件的复杂性决定了其受力特点为非线性的，分析非线性问题就需要先进的数值处理方法。

结合以上种种因素，需要一种分析方法既能够有效节约实验成本，又可以高度模拟实验过程，即从加载到破坏的过程。

有限元分析方法的实质是将一个整体结构计算模型离散为由许多微小结构单元组成的模型。有限元“化整为零”的分析方法可以有效地对钢筋混凝土非线性问题进行分析。有限元法具有十分强大的数值分析能力。其在钢筋混凝土构件分析中具有以下优点：

1.可以分别在模型中反映钢筋和混凝土和非线性；可以提供许多结构信息，比如节点位移，混凝土受压区应力应变关系等等；

2.十分有效地模拟构件从加载到破坏的全过程；

3.可以代替一部分试验研究，并通过模拟分析对试验研究进行改进；

4.可以模拟分析普通试验无法完成的大型复杂构件。

具备了以上几点，非线性有限元法在钢筋混凝土分析中具有十分大的优势。

二、有限元软件介绍

有限元分析方法的发展离不开计算机软件的支持，目前在钢筋混凝土领域应用比较广泛的软件有ABAQUS，ADINA，ANSYS等等。以下对这三种方法进行以下介绍。

（一）ABAQUS

此软件是一套功能十分强大的有限元模拟分析软件，可以分析十分复杂的构件，模拟高度非线性问题。ABAQUS被广泛地认为是功能最强的有限元软件，从单一的零件到组成复杂的构件都可以进行有效模拟。ABAQUS软件还可以做系统级的分析研究。

其功能有静态应力位移分析，动态分析，热传导分析，质量扩散分析，耦合分析，非线性动态应力位移分析等等。

（二）ADINA

此软件从出现至今已近半个世纪，诞生于70世纪，在80世纪中叶以前是全球最流行的有限元分析程序[7]。ADINA的名称是Automatic Dynamic Incremental Nonlinear Analysis的首字母缩写。

ADINA是一款以力学和有限元理论为基础的计算软件，可用于固体、结构、流体以及结构相互作用的流体流动的复杂有限元分析。

ADINA软件具有以下特点：

1.表示模型的几何图形可以从CAD中直接导入；

2.构件的物理特性、载荷和边界条件可直接分配到模型的几何图形上；

3.普通几何图形上可使用全自动网格生成。

ADINA具备多种便于操作的特性，已成为近年来发展最快的有限元软件。

（三）ANSYS

ANSYS是由美国人研发的一款大型通用有限元分析软件。

此有限元分析软件可以用来分析多种领域里的有限元问题。软件可以提供100种以上的单元类型，用于模拟各种工程结构。

ANSYS由三部分组成：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。

三、钢筋混凝土本构关系确立的意义

钢筋和混凝土的本构关系是非线性有限元分析的关键问题。只有选取了合适的本构关系，才能够建立合理的有限元模型。该模型才可以正确地模拟从构件加载到破坏的全过程。

混凝土的本构模型有线弹性模型、非线性模型、弹塑性模型等。以下对几种线弹性模型做一下介绍。

线弹性模型是最基本的力学模型。线弹性模型中的材料在加载过程中应力应变关系呈线性，卸载后没有残余应变。完全符合弹性特征。线弹性模型是当今发展最完善的材料本构模型。

非线性模型即与线弹性相反，应力应变并非呈线性关系。分析起来也较为复杂，因此便需要用到本文所表述的有限元分析方法。非线性弹性本构模型能够反映混凝土受力变形的主要特点。

弹塑性模型用于反映材料的塑性变形。该模型可以较好地描述混凝土应力—应变下降段（软化）曲线。适用于混凝土从弹性阶段进入塑性阶段的分析。

四、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。

分离式模型是将混凝土和钢筋分开处理，各自拆分成微小的结构单元。整体式将两者当做一个整体进行建模，假定钢筋与混凝土粘结良好。组合式模型也是假设钢筋与混凝土之间粘结良好，钢筋以一个确定的角度在整个单元中。

在ANSYS等软件进行钢筋混凝土有限元分析时，经常用到分离式模型，即将混凝土与钢筋分开，分别建立模型进行模拟分析。

五、结论

钢筋混凝土在全世界范围内的结构工程中应用都十分广泛。因为钢筋与混凝土由两种材料粘结而成，因此构件分析起来十分复杂。在以往的研究中，人们往往需要耗费大量的人力物力财力来进行试验；而且得到的结果也不是十分的精确可靠。有限元法的出现极大程度上改善了这种状况，通过计算机软件分析就可以有效模拟试验，进而得出比较可靠的计算结果。这也是ANSYS、ABAQUS、ADINA等有限元软件在现代结构设计中十分流行的原因，应用十分广泛。

[1]李景涌主编，有限元法，北京邮电大学出版社，北京，1999.

[2]江见鲸.钢筋混凝土结构非线性有限元分析[M].陕西科学技术出本社，1994.

[3]康清梁.钢筋混凝土有限元分析[M].中国水利水电出版社，1996.

[4]宋玉普等.钢筋混凝土结构分析中的有限元法[J].大连理工大学出版社，1994.

[5]龙驭球.新型有限元引论.清华大学出版社，1992.

[6]黄义.弹性力学基础及有限单元法.冶金工业出版社，1986.

[7]黄吉锋.用于转换层计算的带转角自由度三维元.工程力学，1998年增刊.

[8]黄吉峰.钢筋混凝土结构非线性有限元分析及有限单元构造方法的研究[D].中国建筑科学研究院博士论文，2001-06-01.

[9]李博宁.面向对象的钢筋混凝土结构非线性有限元分析.大连理工大学.2003.03.

[10]朱伯龙.钢筋混凝土结构非线性分析[M].上海：同济大学出版社，1996.