ANSYS数值仿真技术对《钢筋混凝土与砌体结构》课程的教学应用研究

文/符媛媛 武汉科技大学城市学院 湖北武汉 420000

《钢筋混凝土与砌体结构》作为土木工程专业的一门主干课程，具有计算公式多、计算量大、知识面广、构造要求多等特点，一直以来是教学的难点。土木工程是一门与试验密切挂钩的学科，在专业教学中涉及到了很多试验，例如：土力学试验，建筑材料试验，材料力学试验，结构检测试验等，许多课程都在这些试验过程和结果中得到总结和验证，《钢筋混凝土与砌体结构》课程就是典型，在教学过程中，涉及材料性能，受力原理、结构构造，并且涉及简单工程实例的设计方法原理施工图绘制等众多知识点，对构件和结构进行试验分析得到理论结果，对这门课程的教学是非常有帮助的，并且这一课程的教学效果直接影响学生的实际工程分析能力以及工程创新能力的培养，然而普通独立院校常常受到试验条件缺乏，设备落后的影响，导致教学模式固化，这一课程的试验教学较少，严重影响学生理解和实践能力的培养，导致学生缺乏工程意识。

国内外常采用数值模拟仿真软件应用于工程实例，帮助分析复杂的结构受力情况，这种仿真软件是融结构、热力学、流体、电磁和声学等于一体的大型通用有限元分析软件，常应用在土木工程中，包括大坝工程、隧道及地下工程、桥梁结构工程、房屋建筑工程、边坡工程以及基础工程，分析各类工程结构的力学行为和在工程结构施做和使用过程中的力学行为的有限元分析过程，包括2D和3D的分析，其在实际工程中的应用是非常常见和成熟的。近些年，提出了将数值模拟仿真软件应用于教学，将计算机辅助教学作为高校教学改革的发展方向，解决试验条件缺乏的困境。国内已有教育家将数值模拟仿真软件应用于部分土木工程专业相关课程的教学改革实践中，例如在《理论力学》和《材料力学》的教学中引入计算机数值模拟仿真系统，并达到较好的教学效果。本文以《钢筋混凝土与砌体结构》课程教学为例，分析计算机模拟仿真技术对《钢筋混凝土与砌体结构》课程的教学应用研究，采用数值模拟仿真软件应用于教学后能提高课程的教学效果，便于学生更直观的掌握理论知识，培养出社会需要的复合型和创新性人才。

1、《钢筋混凝土与砌体结构》课程的传统教学中存在的问题

本课程内容复杂、概念多、公式多、理论多、计算量大、构造要求多，不仅学生难学，老师也很难教。大多数高校也没有足够的实验室和设备可以做各种构件的受力分析试验，因此，这门课的讲授通常是老师满堂课的“填鸭式”教学，即使是态度十分认真的学生也只能做到了解课堂知识，但如果换了环境，具体到一项实际工程项目，针对具体项目来设计构件，从结构分析、内力计算、配筋计算到绘制配筋图一系列过程，很少有学生完成得了，对这门课的理解仍然是一知半解，不得精髓。这门课就没有完成从“自主学”到“自主做”的转换，实际现状就是课堂都听得懂，但是真实演练时却不知从何入手。

近年来，随着教育观念的改革，计算机技术发展迅速，许多课程都面临教学改革，如何丰富课堂内容、提高学生学习积极性、科技技术引入课堂教学中，改变课堂教学模式。如何能将《钢筋混凝土与砌体结构》课程脱离老师讲、学生听的教学局面，一直以来都引起大家思考的方向。

2、模拟仿真技术对《钢筋混凝土与砌体结构》课程的试验教学应用

数值模拟仿真技术在工程实际中的应用是非常广泛的，对于复杂不便于手算分析的大型结构，通常都是采用仿真技术在计算机上来模拟结构受风荷载、地震荷载、温度变化等较难分析的问题。现将这种现代化技术与教学相结合，弥补试验室问题的短缺，运用数值模拟仿真技术将结构在计算机中建模、对材料、构件和结构可以进行多数值模拟仿真，并且可以通过动画显示和数据输出，以及可以通过结果反复验证、分析、选择出更优化的模型方案。

当前在钢筋混凝土量有限元分析方面，ANSYS中较为常用的模型包括整体式、分离式和组合式三种。此次研究所用模型为分离式，将整个结构划分为足够小的单元，如果具备较强的黏性且不会出现相对滑移，则可将其看作刚性连接，也可以不作为联结单元，如此一来可以更好的就微观机理对钢筋混凝土梁进行分析。

2.1 选择具体单元

利用ANSYS构建结构模型时，应先选择具体单元。混凝土实体模型有着塑性变形、拉裂、徐变、压碎等特点，通常会选用SOLID65单元对其结构进行模拟，适用于三维混凝土和预应力混凝土单位。该单元由八个节点组成，每个节点都可建立空间坐标系，有X、Y、Z三个视角，可从任意一个方向定义混凝土结构含筋量。在构建钢筋结构模型时，所用单位为LINK-8，该单元由两个节点组成，也具备三个自由视角，同样可建立空间坐标系。然后用BKIN模型将钢筋的本构关系呈现出来，在分析较大应变时有着良好的应用效果，模型中需要用到von-mises屈服准则，并且需设定好不同方向所测得的性能的具体数值。此次研究在构建BKIN模型时将辛格效应考虑在内后，假定其两倍的屈服应力为总应力所属范围。

2.2 明确本构关系

利用ANSYS软件进行有限元分析时，要先对混凝土单位的破坏准则进行定义，并明确具体本构关系。基于软件中所用到的CONCERETE的材料特性，所用到的破坏准则为Willam-Wamker五参数破坏准则，完成材料的应力—应变模型的构建，可以更好的对SOLID65单元进行模拟[2]。对预应力钢筋混凝土结构进行分析，可以知道其应力应变关系并不复杂，钢筋受力方式为单轴受力，在模拟钢筋单元时，所用到的准则具体为随动强化准则，应力—应变模型构建形式为双折线型。

2.3 施加钢筋预应力

对于预应力钢筋混凝土结构来讲，在使用ANSYS软件进行有限元分析时，通常会通过从外部向结构上施加荷载的方式，来达到与钢筋应力等同的效果，通过计算分析，判断出结构应力的具体分布。而对于结构中钢筋和混凝土的受力特性，在分析时可将内力进行叠加得到最终结果。实际操作时，设定一个温度作为钢筋单元的初始温度，再对其温降值做出规定，钢筋结构模型会受到温度影响而出现收缩变形，所产生的预拉效应便可以作为其预应力。如果用△T表示钢筋单元的温降值，分别用E、A、P和α，分别表示钢筋弹性模量、钢筋截面积、预应力施加值和钢筋线膨胀系数，则存在公式为△T=P/EAα[3]。

2.4 数值计算及收敛

在有限元分析中，会涉及到非线性问题，而增量法和迭代法是最为常用的解题方法。增量法可以适用于多种情况，具有较强的实用性，对于荷载—位移之间的动态关系，可以更加全面、清晰的将其呈现出来，在与加载路径相关问题的求解中有着良好的应用效果。而迭代法运用难度较小，当结构承受所有载荷时，可采用该种方法对其变化进行分析。在ANSYS软件中，通常会采用增量的牛顿一拉夫逊方法处理非线性问题，对钢筋混凝土梁进行有限元分析时，就非线性迭代的计算收敛，可用力范数和位移范数加以控制，分别存在以下关系式为：

其中，[KT]为切线刚度矩阵，{Δu}为位移增量，{u}n、{u}n+1为位移矢量，分别表示外荷载矢量和内力矢量。根据上述公式进行迭代求解时，所用方法为波前法，表现为线性特征，如果前一次迭代计算中的力和位移是不平衡的，则再次进行迭代计算时会对其进行平衡处理，经过多次迭代计算和{u}n+1—{u}n之间的差值小于收敛数值时，便可以完成非线性运算。

对于钢筋混凝土的有限元分析来讲，在对收敛数值进行计算时，会受到多种因素的影响，包括收敛准则、网格密度、子步数、收敛精度等，运算难度较大。如果收敛精度没有具体要求，则会以软件默认值1‰为基准，可根据实际情况放宽其范围，通常在3%～5%之间。同时，结合以往工程经验，确定最佳的网格密度和子步数。另外，通过加速收敛可以提高收敛精度，所以可适当放宽收敛条件。

2.5 算例分析

此次研究中，所用到的钢筋混凝土梁结构为简支梁，其截面呈矩形，长、宽、高分别为400cm、20cm和40cm，简支梁中主筋数量为2根，直径为2cm，与梁结构最低面间隔为28cm，位于梁的正中间，所承受的载荷F=2000N，钢筋预应力施加值P=2000N。混凝土抗压强度和抗拉前度F和F分别为25.98MPa和2.55MPa，混凝土弹性模量和钢筋弹性模量E和E分别为3.58E4MPa和2.19E5MPa，钢筋屈服强度为248 MPa。将上述数据代入到ANSYS软件中，构建分离式有限元模型，假设梁受弯时截面上混凝土、钢筋的应变符合平截面，且混凝土和钢筋之间不发生相对滑移，变形协调。

2.6 结果与讨论

分别对施加预应力未加荷载、仅施加荷载、应力和荷载共同作用三种情况下的简支梁挠度进行计算，所得结果分别为-0.231mm、0.978mm、0.746mm，与按结构规范设计计算结果0.765mm进行比较，可知在应力和荷载共同作用所得结果误差较小，与参照标准仅相差了0.09mm。另外，可以发现施加预应力未加荷载所得有限元模型值与仅施加荷载模型值之和，几乎等同于应力和荷载共同作用下的有限元模型至，两者之间的误差仅为0.001mm，表明通过施加预应力的方法，钢筋混凝土梁的跨中挠度数值将会显著减小。根据最终研究结果可知，利用ANSYS软件通过构建模型，对钢筋混凝土梁进行有限元分析是切实可行的，可以得到较为精准的数值，值得推广和应用。

总结：

在钢筋混凝土结构的教学分析中运用有限元法，可以有效传统教学试验法中存在的不足，不仅可以得到准确的计算结构，了解结构各项特性，还可以有效解决通过试验所不能处理的问题。基于ANSYS有限元分析法所体现出的优点，已经在钢筋混凝土结构分析中得到广泛应用，并且随着相关研究的不断深入，该项技术在教学过程中的应用也是前景光明的。