Ansys在鋼筋混凝土應(yīng)用的探討

【摘 要】本文介紹了鋼筋混凝土的三種有限元模型，并用ANSYS模擬了鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁，得到了其荷載撓度曲線，由此說(shuō)明ANSYS分析鋼筋混凝土問(wèn)題時(shí)，有一定的局限性和不準(zhǔn)確性，需要進(jìn)一步完善和改進(jìn)。

【關(guān)鍵詞】鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁；ANSYS；荷載撓度曲線

Discussion on the application of Ansys in concrete

GUO Jiao1 XU Hao2

（1.Edong Institute of Vocation and Technology Hubei Huanggang 438000；

2.China RailWay Tunnel Survey Design Institute Co.，Ltd， China Tianjin 300133）

【Abstract】This paper introduces three kinds of reinforced concrete finite element model， and using ANSYS to simulate reinforced concrete simply supported beam， the load deflection curve， the ANSYS analysis of reinforced concrete problems， have certain limitations， need to be further perfected and improved.

【Key words】Reinforced concrete beam；ANSYS；The load deflection curve 目前，混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范都是以大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)而建立的。其實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)，耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力，并且影響因素極其復(fù)雜和極不穩(wěn)定。而大型有限元軟件ANSYS可用于分析靜力與動(dòng)力、線性與非線性等問(wèn)題，能夠很好地反映鋼筋混凝土在復(fù)雜因素作用下的力學(xué)特征。但有限元軟件ANSYS研究鋼筋混凝土材料仍處于起步階段，還需進(jìn)一步努力和思考，希望早日能為工程所用。

1.鋼筋混凝土有限元模型

按鋼筋模擬方法的不同，鋼筋混凝土有限元模型可分為組合式、整體式和分離式三種模型[1-3]。

1.1組合式模型

組合式模型往往假設(shè)混凝土與鋼筋處于同一位移，即認(rèn)為鋼筋與混凝土完全粘結(jié)，不考慮其粘結(jié)滑移。它把混凝土和鋼筋包含在一個(gè)單元之內(nèi)，分別計(jì)算它們對(duì)單元?jiǎng)偠染仃嚨呢暙I(xiàn)，再通過(guò)疊加得到單元?jiǎng)偠染仃?。組合式模型又可分為分層組合式單元和帶鋼筋膜單元兩種模型。前者是在其橫截面上分成許多混凝土層和許多鋼筋層，并對(duì)截面應(yīng)變做出某些特定假設(shè)，在鋼筋混凝土板殼結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最多和最為廣泛。

1.2整體式模型

整體式模型把鋼筋混凝土看作一種勻質(zhì)連續(xù)材料，通過(guò)調(diào)整單元的材料力學(xué)性能參數(shù)考慮鋼筋對(duì)整個(gè)單元矩陣的貢獻(xiàn)。這一模型計(jì)算簡(jiǎn)單，適用于鋼筋較多、布置均勻且忽略鋼筋與混凝土之間的相對(duì)滑移的情況。其主要缺點(diǎn)是誤差較大，不能求出鋼筋應(yīng)力分布，不能考慮鋼筋在單元中的具體位置和方向，也不能計(jì)算裂縫的寬度。

1.3分離式模型

分離式模型把鋼筋和混凝土作為不同單元處理。分離式模型的優(yōu)點(diǎn)是考慮了鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)滑移，可較為正確地計(jì)算出裂縫寬度；其主要缺點(diǎn)是鋼筋單元必須依附在混凝土單元邊線上，混凝土單元的劃分必須適應(yīng)鋼筋的輪廓線，因此受到鋼筋方向和分布的限制。由于鋼筋混凝土存在裂縫，開(kāi)裂必然導(dǎo)致鋼筋和混凝土變形不協(xié)調(diào)，因此這種模型應(yīng)用最為廣泛。下面用ANSYS采用分離式模型來(lái)模擬和計(jì)算鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁的受力和變形。

2.算例

2.1建模及求解

鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁截面尺寸為b×h=150mm×300mm，采用C20混凝土，配有2C18的縱向受拉鋼筋和2A8的受壓鋼筋，箍筋采用A8@75的雙肢箍，如圖1和圖2所示。假設(shè)鋼筋與混凝土粘結(jié)良好，求出混凝土梁的荷載-位移曲線，討論此梁的受力和變形情況。

圖1 載荷及梁的幾何尺寸

圖2 梁的橫截面配筋圖

2.2材料性質(zhì)及求解過(guò)程

a.鋼筋及混凝土的材料力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1：

表1 混凝土及鋼筋的材料參數(shù)一覽表

b.單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線（？滓-？著曲線）：

在ANSYS分析中，需要給出混凝土單軸受壓下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。在本算例中，混凝土單軸受壓下的應(yīng)力-應(yīng)變采用Sargin和Saenz模型：

？滓=■

式中取？著■=（1.028-0.108■）■；

c.計(jì)算過(guò)程：

建立模型時(shí)，考慮其對(duì)稱性，因此只需建立1/2模型，鋼筋采用LINK8單元，采用等向強(qiáng)化雙線性彈塑性材料模型；混凝土采用SOLID65單元，采用單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系多折線模型[4]，裂縫張開(kāi)傳遞系數(shù)取0.4，裂縫閉合傳遞系數(shù)取1.0。

2.3計(jì)算結(jié)果及分析

計(jì)算過(guò)程中關(guān)閉混凝土壓碎開(kāi)關(guān)，設(shè)置非線性收斂值為0.05，求解開(kāi)始后打開(kāi)自動(dòng)時(shí)間步控制、線性搜索及大變形開(kāi)關(guān)。用ANSYS分析鋼筋混凝土材料時(shí)，較多的求解子步或較小的荷載步和一個(gè)非常大的最大子步數(shù)很容易導(dǎo)致收斂。在本算例中設(shè)置200個(gè)子步，最終收斂成功。

圖3 簡(jiǎn)支梁荷載-跨中撓度曲線

從圖3可以看出：曲線形狀基本能反映鋼筋混凝土適筋梁剪切破壞的受力特點(diǎn)，且荷載-跨中撓度曲線與鋼筋混凝土梁的彎剪破壞形態(tài)一致，即當(dāng)最大彎矩截面的縱筋屈服后，由于裂縫的延伸與開(kāi)展，壓區(qū)混凝土的面積逐漸減小，在荷載不增加的情況下，壓區(qū)混凝土所受的剪應(yīng)力和正應(yīng)力還在不斷增加，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到混凝土抗壓強(qiáng)度極限時(shí)，剪切破壞發(fā)生。鋼筋混凝土的變化過(guò)程大致經(jīng)歷了三個(gè)階段：加載至混凝土開(kāi)裂以前，曲線近似為直線；當(dāng)荷載增加到6kN～8kN時(shí)，混凝土開(kāi)始發(fā)生開(kāi)裂，裂縫的出現(xiàn)導(dǎo)致了曲線斜率的降低，即出現(xiàn)應(yīng)力增大現(xiàn)象；隨著荷載的進(jìn)一步增大，曲線近似接近直線，當(dāng)荷載增加到45kN以上時(shí)，縱向受力鋼筋開(kāi)始屈服，并進(jìn)入塑性階段。

3.結(jié)論

（1）利用ANSYS對(duì)鋼筋混凝土梁作非線性分析時(shí)，需要充分考慮單元選擇、材料本構(gòu)關(guān)系、荷載步及收斂標(biāo)準(zhǔn)、屈服準(zhǔn)則等若干問(wèn)題時(shí)，才能保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

（2）此算例忽略了鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)與滑移，而大多數(shù)鋼筋混凝土一般處于帶裂縫工作狀態(tài)，混凝土的開(kāi)裂必然導(dǎo)致滑移產(chǎn)生和粘結(jié)失效，如要考慮粘結(jié)效應(yīng)，需在鋼筋和混凝土之間加入彈簧單元進(jìn)行模擬分析。

（3）由于ANSYS軟件的限制，在模擬鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁過(guò)程中仍具有一定的局限性，需要進(jìn)一步改進(jìn)和完善。

【參考文獻(xiàn)】

[1]郝文化，裕明，劉青山.ANSYS土木工程應(yīng)用實(shí)例[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2005.

[2]尚曉江，年峰，趙海峰.ANSYS結(jié)構(gòu)有限元高級(jí)分析方法與范例應(yīng)用[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2006.

[3]郝文化，肖新標(biāo).ANSYS實(shí)例分析與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[4]龔曙光，謝桂蘭.ANSYS操作命令與參數(shù)化編程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004：159-179.