鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的動(dòng)力增量分析

靳 鑫，王曉林

（太原理工大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，山西 太原 030024）

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的動(dòng)力增量分析

靳 鑫，王曉林

（太原理工大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，山西 太原 030024）

結(jié)合鋼筋混凝土的材料特性，介紹了基于ANSYS軟件對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性分析的重要問(wèn)題，探討了ANSYS在預(yù)處理模塊、分析計(jì)算模塊和后處理模塊中的具體技術(shù)要點(diǎn)。文章重點(diǎn)介紹了動(dòng)力增量分析方法的原理，通過(guò)與push-over方法的對(duì)比，得出了該方法所具有的優(yōu)勢(shì)，并通過(guò)針對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)來(lái)具體介紹增量動(dòng)力分析法的應(yīng)用。

ANSYS；鋼筋混凝土；非線性有限元分析；動(dòng)力增量分析

1 概述

鋼筋混凝土是一種復(fù)合型材料，其受力分析十分復(fù)雜。具體表現(xiàn)有：①混凝土和鋼筋相比，其抗拉強(qiáng)度很低，約為鋼筋抗拉強(qiáng)度的1/10，因此，通常情況下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的混凝土屬于帶裂縫工作，而最初的線彈性有限元分析理論又無(wú)法反映結(jié)構(gòu)的內(nèi)部塑性區(qū)和裂縫的開(kāi)展情況等等，所以裂縫的出現(xiàn)大大增加了結(jié)構(gòu)分析的難度；②鋼筋和混凝土之間雖然有黏結(jié)作用，但是二者之間還是會(huì)涉及到共同作用的問(wèn)題，這也是在分析結(jié)構(gòu)建模時(shí)必須要考慮到的問(wèn)題；③混凝土與鋼筋不同，其本身就是由多種原材料復(fù)合加工而成，故它是一種彈塑性材料，其力學(xué)性能呈現(xiàn)非線性，即應(yīng)力、應(yīng)變之間是非線性關(guān)系。

文章從鋼筋混凝土的特殊性能入手，具體介紹ANSYS在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用情況，并通過(guò)與push-over分析方法的對(duì)比，應(yīng)用增量動(dòng)力分析方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

2 鋼筋混凝土非線性分析特點(diǎn)

對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，非線性有限元結(jié)構(gòu)分析方法比線彈性有限元方法具有“全過(guò)程仿真”的優(yōu)勢(shì)。首先是“仿真性”，在線彈性有限元分析中，混凝土和鋼筋都被看作是線彈性體，其材料特性由彈性模量和泊松比來(lái)表示。鋼筋混凝土材料中許多材料特性沒(méi)有被反映出來(lái)，而在非線性有限元分析中，可以反映鋼筋混凝土特性，其特性有：①混凝土的非線性本構(gòu)關(guān)系；②多軸狀態(tài)下的破壞準(zhǔn)則；③混凝土開(kāi)裂及開(kāi)裂后表現(xiàn)；④混凝土與鋼筋的共同作用；⑤混凝土溫度場(chǎng)、徐變、干縮、環(huán)境濕度等時(shí)間性因素影響。其次是“全過(guò)程分析”，如果采用動(dòng)量增量法分析，即在計(jì)算過(guò)程中逐級(jí)加載，從零荷載開(kāi)始逐級(jí)加載，直至結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，反映了結(jié)構(gòu)材料處于線彈性階段——彈塑性階段——鋼筋屈服階段——結(jié)構(gòu)破壞階段全過(guò)程的受力情況，故非線性有限元分析具有完整性特點(diǎn)。

3 混凝土在ANSYS中建模時(shí)的單元選擇

3.1 單元選擇

在ANSYS給定的單元計(jì)算類型中選用solid65單元來(lái)模擬混凝土，solid65單元是具備8個(gè)節(jié)點(diǎn)6個(gè)面的三維實(shí)體單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)共有3個(gè)方向的自由度，即Ux，Uy和Uz。之所以選擇solid65單元來(lái)模擬混凝土，是因?yàn)樵搯卧紤]了混凝土的材料特性，包括因塑性和徐變引起的材料非線性、因大位移引起的幾何非線性，還包括因混凝土的開(kāi)裂或壓碎引起的非線性等等。Solid65單元是目前為止最適合模擬混凝土這種非線性材料的單元。

3.2 定義材料性質(zhì)

混凝土本構(gòu)關(guān)系的模型對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的非線性分析有重大影響，在建立混凝土本構(gòu)關(guān)系時(shí)一般都是基于現(xiàn)有的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的本構(gòu)理論，再結(jié)合混凝土的力學(xué)特性，然后調(diào)整本構(gòu)關(guān)系中各種所需的材料參數(shù)。通?；炷恋谋緲?gòu)關(guān)系可以分為線性彈性、非線性彈性、彈塑性及其他力學(xué)理論等四類。其中研究最多的是非線性彈性和彈塑性本構(gòu)關(guān)系。

線性彈性本構(gòu)關(guān)系認(rèn)為應(yīng)力、應(yīng)變，加載、卸載時(shí)呈線性關(guān)系，完全服從胡克定律，應(yīng)力與應(yīng)變是相互對(duì)應(yīng)的關(guān)系。在實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中線性彈性仍然是應(yīng)用很廣泛的本構(gòu)關(guān)系模型。非線性彈性本構(gòu)關(guān)系則認(rèn)為應(yīng)力和應(yīng)變不成正比，但是有對(duì)應(yīng)關(guān)系。卸載后沒(méi)有殘余應(yīng)變，應(yīng)力狀態(tài)完全由應(yīng)變狀態(tài)決定，而與加載歷史無(wú)關(guān)。非線性彈性本構(gòu)關(guān)系分為全量型（如Ottosen模型）和增量型（如Darwin-Pecknold模型）兩類。

4 模型網(wǎng)格的劃分

ANSYS中對(duì)模型的網(wǎng)格劃分有兩種方法:自由網(wǎng)格劃分和映射網(wǎng)格劃分。自由網(wǎng)格劃分對(duì)于單元形狀沒(méi)有限制，并且沒(méi)有特定的準(zhǔn)則。與自由網(wǎng)格相比，映射網(wǎng)格劃分就對(duì)單元形狀有限制。而且必須要滿足特定的規(guī)則。映射面網(wǎng)格包含四邊形和三角形單元，映射體網(wǎng)格只包含六面體單元。映射網(wǎng)格具有規(guī)則形狀明顯成排的單元，如果想要這種網(wǎng)格類型，必須將模型劃分成具有一系列規(guī)則的體和面，但映射網(wǎng)格的優(yōu)點(diǎn)就是有利于結(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存、計(jì)算速度快、耗時(shí)少。

5 增量動(dòng)力分析方法原理

抗震設(shè)計(jì)經(jīng)歷了靜力理論分析階段、反應(yīng)譜理論階段及動(dòng)力理論階段。近幾年，性能的抗震設(shè)計(jì)理論與方法得到許多學(xué)者的青睞，其主要方法有兩種：靜力推覆分析法和動(dòng)力增量分析法。動(dòng)力增量分析方法即為逐步增量彈塑性時(shí)程方法，主要是以場(chǎng)地地震面運(yùn)動(dòng)時(shí)程為荷載作用，以大量實(shí)驗(yàn)總結(jié)得到的結(jié)構(gòu)截面及結(jié)點(diǎn)力與位移關(guān)系模型，反映地震作用下結(jié)構(gòu)中各截面和結(jié)點(diǎn)的剛度變化。具體的分析過(guò)程是通過(guò)分析不同強(qiáng)震記錄作用下結(jié)構(gòu)的非線性動(dòng)力位移響應(yīng)，來(lái)確定或檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力。由于該分析過(guò)程是非線性動(dòng)力過(guò)程，能較好地反映結(jié)構(gòu)在未來(lái)可能遇到的不同強(qiáng)震作用下剛度、強(qiáng)度以及變形能力的變化全過(guò)程。

對(duì)于一條特定地震動(dòng)輸入，通過(guò)設(shè)定一系列單調(diào)遞增的地震強(qiáng)度指標(biāo)，并對(duì)每個(gè)地震強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行結(jié)構(gòu)彈塑性時(shí)程分析，可得到結(jié)構(gòu)在不同地震強(qiáng)度作用下的一系列彈塑性地震響應(yīng)。最后便可得到一條地震動(dòng)強(qiáng)度——結(jié)構(gòu)在地震作用下的破壞程度曲線，即IDA曲線。其中，常用的表示地震動(dòng)強(qiáng)度的參數(shù)有峰值地面加速度、峰值地面速度、譜加速度等，表征結(jié)構(gòu)在地震作用下的破壞程度的常用參數(shù)有基底最大剪力、頂點(diǎn)最大位移、延性和各種損傷指數(shù)等。

6 增量動(dòng)力分析方法比push-over有一定的優(yōu)越性

增量動(dòng)力分析與push-over相比，具有明顯的優(yōu)勢(shì)：增量動(dòng)力方法能夠真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性、非線性特性，所得結(jié)構(gòu)能力的統(tǒng)計(jì)值也具有相對(duì)的穩(wěn)定性，能夠反映結(jié)構(gòu)的極限變形能力，能更準(zhǔn)確地反應(yīng)結(jié)構(gòu)在大震作用下的真實(shí)行為。

IDA曲線具有以下特征：

（1）能反應(yīng)結(jié)構(gòu)在未來(lái)可能遇到的不同強(qiáng)震作用下的需求能力和抗倒塌能力。

（2）能評(píng)估不同性能水準(zhǔn)下的抗震性能狀態(tài)。

（3）能較好的反映結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下剛度、強(qiáng)度以及變形能力的變化過(guò)程。

7 結(jié)束語(yǔ)

目前，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用非常廣泛，而且近些年來(lái)結(jié)構(gòu)的抗震也成為了人們最為關(guān)注的一個(gè)問(wèn)題，因此，文章針對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震分析方法進(jìn)行了討論。通過(guò)文章的分析，發(fā)現(xiàn)增量動(dòng)力分析方法有著其自身的優(yōu)越性，這是抗震分析領(lǐng)域的一大進(jìn)展，隨著有限元軟件的不斷發(fā)展，可以實(shí)現(xiàn)該方法的模擬，并且得出該方法比push-over方法的結(jié)果更接近真實(shí)地震作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。

由于篇幅有限，未能針對(duì)不同的結(jié)構(gòu)體系來(lái)論證增量動(dòng)力分析方法，只是介紹了鋼筋混凝土的特點(diǎn)結(jié)合軟件進(jìn)行了介紹，在以后的實(shí)際工程中，希望能對(duì)這一抗震分析方法進(jìn)行更加嚴(yán)密的理論論證。

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Incremental Dynamic Analysis of Reinforced Concrete

Jin Xin，Wang Xiaolin

Combinatingwith material propertyofreinforced concrete，the issues ofreinforced concrete structure for nonlinear analysis based on ansys are introduced in this paper.In order to promote the use of ANSYS，a series of key techniques is dicussed in preprocessor，solution and general postprocessor module ofANSYS software.This paper introduces principle ofincremental dynamic analysis.Comparing with push-over method，the advantage ofIDA(Incremental Dynamic Analysis)ways are founded.The application ofthe IDAis introduced for reinforced concrete.

ANSYS;reinforced concrete；nonlinear finite element analysis；incremental dynamic anlysis

TU375

A

1000-8136(2011)05-0006-02

靳鑫，女，1987年出生，太原理工大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院碩士研究生。