ANSYS在钢筋混凝土结构有限元分析中的应用
2018-07-12
(重庆交通大学 重庆 400074)
混凝土是一种应用最为广泛，也是最主要的工程材料，在土木工程中起到非常重要的作用，在房屋建筑、水工建筑、交通工程、隧道工程中应用非常普遍。钢筋混凝土，预应力混凝土结构占整个土木工程的85%～95%，因此采用有限元分析软件来实现对混凝土结构力学行为的模拟，把握其基本受力特性，充分体现结构设计的安全、耐用、经济、合理，对整个土木行业都有十分重要的意义。
一、钢筋混凝土结构有限元分析的几种模型
由于钢筋混凝土由两种不同材料组成，其性能明显依赖这两种材料及其组合性能，钢筋混凝土结构的有限元分析有与其他固体力学有限元分析所不同的特点。因此钢筋混凝土结构的有限元分析作为一个相对独立的研究领域，受到了土木工程界广泛的重视。目前基本公认的钢筋混凝土建模方法有分离式模型、整体式模型和组合式模型。
(一)整体式模型
整体式模型也称分布式模型。建模时，将钢筋按纵横竖三个方向分布于整个单元中，并假定钢筋，混凝土之间的粘结很好，视单元为连续均匀的材料。建模时采用的单元类型是solid65单元，输入不同的参数来模拟不同的钢筋布置和结构参数。
(二)分离式模型
分离式模型把钢筋和混凝土作为不同的单元处理，两者的刚度矩阵是分开来求解的。在该模型中可以插入联结单元考虑钢筋与混凝土之间的粘结和滑移。
(三)组合式模型
组合式模型一般分为两种模式，一种是分层组合式，另一种是采用带钢筋膜的等参单元。前者是在横截面上分成许多混凝土层和若干钢筋层，并对截面的应变做出某些假设，在钢筋混凝土板、壳结构中应用较广。
小结：一般钢筋混凝土结构常处于带缝工作状态，开裂必然导致变形不协调。考虑钢筋混凝土的粘结与滑移宜引入粘结单元的分离式模型，但是目前就ansys而言，很难准确模拟二者的相对滑移。当不考虑混凝土和钢筋二者之间的滑移时，三种模型都可以使用。分离式和整体式模型适用于二维和三维结构分析，后者注重整体模型的内力变形结果，在不关心钢筋，混凝土的内在力学关系时采用。
二、混凝土本构关系
在用ANSYS对预应力钢筋混凝土作有限元分析时，混凝土单元需要定义破坏准则和本构关系。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，确定或者调整本构关系中各种所需的材料参数。由于，混凝土材料的复杂性，尚没有一种理论被公认为可以完整描述混凝土材料的本构关系。
ANSYS软件中提供了许多材料模型包括经典双线性随动强化模型(Bilinear Kinematic,BKIN)、多线随动强化模型(Multilinear Kinematic,MKIN)、双线等向强化模型(Bilinear Isotropic,BISO)、多线等向强化模型(Multilinear Isotropic,MISO)等，这些材料模型均符合Von Mise屈服准则。在预应力钢筋混凝土结构中，钢筋处于单轴受力状态，应力应变关系相对比较简单，用ANSYS模拟钢筋单元采用双线性随动强化模型。
三、算例
某跨径为2400mm的钢筋混凝土简支梁，结构布置和截面布置如下图所示。混凝土强度等级为C30，不考虑下降段，混凝土立方体抗压强度30 mpa，弹性模量24000 mpa，泊松比0.2，单轴抗压强度25 mpa，单轴抗压强度3.1125 mpa，裂缝间剪力传递系数0.35(张开)，0.75(闭合)；纵向钢筋泊松比0.25，弹性模量2e5，抗拉强度360 mpa，抗压强度210 mpa，横向箍筋强度210 mpa，钢支座垫板强度360 mpa
(图1)
采用分离式模型分析，单轴受压应力-应变曲线采用Hongnested建议的模型。施加110KN竖向节点荷载计算结果如下所示，由图中可得纵向受力钢筋已屈服，箍筋已屈服，开裂荷载为15KN，极限荷载104.2KN，此时跨中位移为8.5mm，跨中最大竖向位移为15.83mm，属于典型的适筋梁破坏形态。
图2 钢筋应力应变图
图3 跨中点挠度荷载曲线
四、钢筋混凝土结构分析中裂缝处理的主要方式
混凝土最重要的特征之一是其抗拉强度很低,在很多情况下混凝土结构是带缝工作的。裂缝引起周围应力的突然变化和刚度降低。裂缝处理的适当与否是能否正确地分析钢筋混凝土结构的关键问题。目前,处理裂缝的方法有3种。离散裂缝模型，即将裂缝处理为单元边界，一旦混凝土开裂，就增加新的结点,重新划分单元,使裂缝处于单元和单元边界之间。该方法可以模拟和描述裂缝的发生和发展,甚至裂缝宽度也可确定。但因几何模型的调整、计算量大等,其应用受到限制。分布裂缝模型也称，以分布裂缝来代替单独的裂缝，即在出现裂缝以后，仍假定材料是连续的，仍然可用处理连续体介质力学的方法来处理。
五、结语
有限元方法作为一个强有力的数值分析工具可以对结构自开始受荷载直到破坏的全过程进行分析，获得不同阶段的受力状态，在钢筋混凝土结构的非线性分析中起到了越来越大的作用。ANSYS软件是基于有限元技术的大型通用分析仿真平台，其非线性问题求解功能强大，能够用于模拟钢筋混凝土结构的受力分析、应力、变形和位移。它能够帮助改进甚至取代一部分试验，降低试验研究的高成本。
