基于ANSYS的钢筋混凝土力学分析

1 引言

由于钢筋混凝上材料性质复杂，使其表现出明显的非线性行为。长期以来采用线弹性理论的设计方法来研究钢筋混凝上结构的应力或内力，显然不太合理，尽管有此理论是基于人量试验数据上的经验公式，还是不能准确反映混凝上的力学性能，特别是受力复杂的重要结构，必须采用三维钢筋混凝上非线性有限元方法才能很好地掌握其力学性能。利用ANSYS对钢筋混凝上结构弹塑性的仿真分析，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性能。

2 模型的建立

2.1 单元类型的选取

2.1.1 混凝土单元

混凝上选用SOLID65单元。SOLID65单元在普通8节点三维等参元SOLID45单元的基础上增加了针对混凝上材料参数和整体式钢筋模型，常被用来模拟钢筋混凝上和岩石等抗拉能力远大于抗拉能力的非均匀材料，可以模拟混凝土材料的开裂和压碎力学行为。
2.1.2 钢筋单元

可采用杆元来模拟纵筋，一般利用空间单元LINK8单元或空间管单元PIPE20建立钢筋模型，与混凝上SOLID65单元共用节点。用COMBINE39来模拟钢筋和混凝上之间的粘结。

2.2 材料本构关系模型

2.2.1 混凝土本构模型

 弹塑性本构关系把服而和破坏而分开来处理。根据弹塑性理论建立混凝上的本构关系时，必须对屈服，条件流动法则、硬化法则即塑性模型三要素做出基本假定。ANSYS弹塑性本构关系主要使用Mises屈服准则或Drucker-Prager屈服准则。
2.2.2 混凝土破坏准则

一般强度准则的参数越多，对混凝土强度性能的描述就越准确，多参数模型大多基于强度试验的统计而进行曲线拟合。ANSYS中的混凝上材料特性用改进的William Wamke五参数破坏破坏准则和拉应力的组合模式，其破坏而子午线和偏平而见相关文献。

2.2.3 钢筋本构模型

一般采用双线形理想弹塑性模型，在ANSYS中,钢筋可以选择经典双线性随动强化模型(BKIN)和双线性等向强化模型(BISO)。
2.2.4 本构关系和破坏准则在ANSYS中的实现

在SOLID65单元中实现上式的本构关系需通过定义数据表。对于钢筋材料，定义一个应力应变关系的数据表;而对于混凝土模型，则要定义两个数据表，一个是本构关系的数据表，另一个用于定义混凝上的破坏准则。通过混凝上单元材料特性表定义混凝上的裂缝张开剪力传递系数闭合剪力传递系数、单轴和多轴抗压强度等9个参数，定义混凝上的W illian Wamke强度准则。

2.3 钢筋混凝土结构有限元模型的建立

钢筋混凝上结构的有限元模型可采用分离式、组合式和整体式，各种模式的优缺点见文献。其中整体式是将钢筋分布于整个单元中，并把单元视为连续均匀材料，这类模型假定联结较好，不考虑钢筋和混凝上之间的滑移，通过钢筋和混凝上之间公用节点来实现位移协调。

2.4 边界条件处理

2.4.1 在支座和集中力作用处加刚性垫块

因为所有载荷都是通过有限人小的压力面来添加或传递到真实部件上去的，所以可在支座和集中力处加以处理使其接近真实的受力状态，从而消除计算中的应力奇异现象。一般加一个小尺寸的垫块，可用SOLID45单元来模拟定义刚性垫块，通过公用节点使刚性垫节点与相应的混凝上节点位移协调。经过ANSYS计算，此方法能有效解决应力集中现象。

2.4.2 将集中力等效为均布力作用在微元上

选择一些与作用的中心点相邻近的小单元来共同承受边界条件，将集中力等效成均布力作用在选定的单元上或邻近的节点上。这一方法更接近真实的受力情况。

2.5 网格的划分和求解

模型的分析是非线性静力分析过程，非线性方程组的求解采用New-Raphson迭代法。ANSYS为非线性分析提供了多种增强收敛的办法，影响计算结果收敛卞要因素是荷载水平、网格密度、子步数、收敛标准等，可通过一此措施来改进和提高收敛速度与解的精度。

2.5.1 控制网格和单元尺寸

划分密度适当的网格有助于收敛;在实际应用过程中，应该对单元划分进行有效控制，当最小单元尺寸大于5cm时，就可以有效避免应力集中带来的问题。

2.5.2 收敛标准控制

一般位移控制加载最好用位移的co-范数控制收敛，而用力控制加载时可以用残余力的2-范数控制收敛。在裂纹刚刚出现和接近破坏的阶段，可以适当放松收敛标准，保证计算的连续性，误差控制可以在2%-3%之间，一般不超过5%。

2.5.3 荷载步和了步的设置

NSUBST设置的太大或太小都不能达到正常收敛，必须合理设置子步数并且打开线性搜索、预测等项以加速收敛。荷载步增量对收敛有较人的影响，必须合理设置荷载步以保证结果收敛稳定性和有效逼近问题的真实解。

3 算例

本算例为一钢筋混凝土简支梁的开裂问题。混凝采用SOLID65模拟，图1给出了混凝土简支梁的有限元模型。图2给出了混凝土的参数的输入界面。

图1 混凝土简支梁的有限元模型    图2 混凝土的输入参数界面

      
 图3 模型的位移等效云图    图4 模型的等效应力云图

    
图5 模型的位移矢量图    图6 模型的裂纹分布图

图3到图6给出了混凝土简支梁的计算结果。由图可知，ANSYS可以很好的计算混凝土的力学问题。

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