基于有限元分析的钢筋混凝土信息化模型主要参数设置浅析

杨奔

（北海职业学院）

0 前言

钢筋混凝土是现阶段建筑行业用得最广泛的建筑材料之一。钢筋混凝土自身整体性能及混凝土与钢筋之间的接触界面性能是影响建筑结构的承载力、耐久性等建筑整体性能的关键因素之一。因此，很多建筑（特别是大型建筑）在砌筑前都要进行混凝土试验以保证其结构稳定性及建筑安全。 但是对于大型建筑，采用现场混凝土试验的方法对所用混凝土进行力学性能的验证，不仅耗费一定的建筑材料，还难以对建筑的整体力学性能进行验证。随着电子计算机性能的逐步提高，采用高性能计算机对建筑进行信息化仿真，进而通过有限元分析建筑结构的整体及局部性能变得可行。近年来，很多学者对钢筋混凝土材料力学性能的有限元分析进行了大量研究。香港理工大学的滕锦光、清华大学的陆新征等学者都先后对钢筋混凝土材料力学性能的有限元分析进行了研究并提出了相应的二维公式参数。钢筋混凝土材料力学性能的二维有限元分析可以在一定程度上节约有限元分析计算资源，但是，因为实际的建筑结构都是三维的，因此钢筋混凝土材料力学性能的二维有限元分析结构与实际钢筋混凝土试验结果有一定差异。本文以常规钢筋混凝土梁为例，分析常规钢筋混凝土有限元模型关键参数如何设置。

1 钢筋混凝土有限元模型中关键参数的设置

以总长度为2500mm、总宽度为150mm、总高度为300mm 的钢筋混凝土梁为例进行分析。

1.1 基本参数的设置

在有限元软件中，参照实际钢筋混凝土梁建立一个如图1 所示尺寸的钢筋混凝土梁有限元模型，钢筋混凝土梁的总长度取2500mm，总宽度取150mm，总高度取300mm。

图1 钢筋混凝土梁的主要尺寸

1.2 混凝土材料参数的设置

钢筋混凝土梁有限元模型中混凝土材料采用混凝土塑性损伤模型进行有限元模拟。参照实际钢筋混凝土梁的相关参数，钢筋混凝土梁有限元模型中混凝土材料的弹性模量E混取3.25×1010N/m2，泊松比取0.2，抗压强度fc取2.4×107N/m2，抗拉强度ft取2.4×106N/m2。

1.3 钢筋材料参数的设置

因为钢筋材料属于各向同性材料，而且钢筋的长度尺寸远大于其截面尺寸，因此，在钢筋混凝土梁有限元模型中钢筋材料可采用桁架单元进行有限元仿真模拟，参照实际钢筋混凝土梁的相关参数，钢筋混凝土梁有限元模型中钢筋材料的弹性模量E钢取1.9×1011N/m2，泊松比取0.3，屈服强度f屈取2.1×108N/m2。

1.4 钢筋材料与混凝土材料之间连接参数的设置

在钢筋混凝土梁中，因为钢筋表面带肋，不光滑，因此钢筋通过其表面的肋加强与混凝土之间的连接进而防止加载时钢筋被拔出，钢筋通过其表面的肋使混凝土与钢筋形成一个整体共同受力。在钢筋混凝土梁受弯时，可看成混凝土与钢筋形变一致。因此，在钢筋混凝土梁有限元模型中，钢筋材料与混凝土材料之间连接可采用“约束”设置中的“内置区域”类型进行仿真模拟，将全部纵筋和箍筋固结为一个整体桁架后作为内置区域，将混凝土梁作为外置区域，通过“内置区域”类型进行约束时，权系数舍入误差可设为1×10-6，容差方法选“两种”，分别为：绝对外部容差取0、外部百分比容差取5%。

1.5 模型加载参数及网格化参数的设置

为了避免钢筋混凝土梁有限元模型加载时加载点应力集中，在两个加载点处和两个支座处各加上一块钢垫块且将钢垫块与钢筋混凝土梁之间进行绑定约束，在两个加载点与钢垫块之间及两个支座与钢垫块之间采用耦合越苏，对钢筋混凝土梁有限元模型采用位移控制施加荷载。

对钢筋混凝土梁有限元模型进行网格划分时，混凝土材料网格单元采用六面体单元进行划分，钢筋材料网格单元采用线性桁架单元进行划分，网格近似全局尺寸为10mm。

参照以上方法设置好钢筋混凝土梁有限元模型中各材料参数后，对钢筋混凝土梁有限元模型进行有限元仿真分析，其损伤云图如图2 所示。

图2 钢筋混凝土梁有限元模型受载后的损伤云图

2 结语

本文对钢筋混凝土信息化模型主要参数设置进行了研究，为对钢筋混凝土结构的有限元分析提供一定的参考。随着计算机软硬件的进一步升级，钢筋混凝土结构的有限元模型精细化程度将越来越高，在未来钢筋混凝土结构的有限元模型分析结果与实际试验结果将越来越接近，有限元分析在建筑行业中将得到进一步的应用。