Ansys在钢筋混凝土应用的探讨

【摘 要】本文介绍了钢筋混凝土的三种有限元模型，并用ANSYS模拟了钢筋混凝土简支梁，得到了其荷载挠度曲线，由此说明ANSYS分析钢筋混凝土问题时，有一定的局限性和不准确性，需要进一步完善和改进。

【关键词】钢筋混凝土简支梁；ANSYS；荷载挠度曲线

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，混凝土设计规范都是以大量的实验数据为基础而建立的。其实验周期长，耗费大量的人力、物力和财力，并且影响因素极其复杂和极不稳定。而大型有限元软件ANSYS可用于分析静力与动力、线性与非线性等问题，能够很好地反映钢筋混凝土在复杂因素作用下的力学特征。但有限元软件ANSYS研究钢筋混凝土材料仍处于起步阶段，还需进一步努力和思考，希望早日能为工程所用。

1.钢筋混凝土有限元模型

按钢筋模拟方法的不同，钢筋混凝土有限元模型可分为组合式、整体式和分离式三种模型[1-3]。

1.1组合式模型

组合式模型往往假设混凝土与钢筋处于同一位移，即认为钢筋与混凝土完全粘结，不考虑其粘结滑移。它把混凝土和钢筋包含在一个单元之内，分别计算它们对单元刚度矩阵的贡献，再通过叠加得到单元刚度矩阵。组合式模型又可分为分层组合式单元和带钢筋膜单元两种模型。前者是在其横截面上分成许多混凝土层和许多钢筋层，并对截面应变做出某些特定假设，在钢筋混凝土板壳结构中应用最多和最为广泛。

1.2整体式模型

整体式模型把钢筋混凝土看作一种匀质连续材料，通过调整单元的材料力学性能参数考虑钢筋对整个单元矩阵的贡献。这一模型计算简单，适用于钢筋较多、布置均匀且忽略钢筋与混凝土之间的相对滑移的情况。其主要缺点是误差较大，不能求出钢筋应力分布，不能考虑钢筋在单元中的具置和方向，也不能计算裂缝的宽度。

1.3分离式模型

分离式模型把钢筋和混凝土作为不同单元处理。分离式模型的优点是考虑了钢筋与混凝土之间的粘结滑移，可较为正确地计算出裂缝宽度；其主要缺点是钢筋单元必须依附在混凝土单元边线上，混凝土单元的划分必须适应钢筋的轮廓线，因此受到钢筋方向和分布的限制。由于钢筋混凝土存在裂缝，开裂必然导致钢筋和混凝土变形不协调，因此这种模型应用最为广泛。下面用ANSYS采用分离式模型来模拟和计算钢筋混凝土简支梁的受力和变形。

2.算例

2.1建模及求解

钢筋混凝土简支梁截面尺寸为b×h=150mm×300mm，采用C20混凝土，配有2C18的纵向受拉钢筋和2A8的受压钢筋，箍筋采用A8@75的双肢箍，如图1和图2所示。假设钢筋与混凝土粘结良好，求出混凝土梁的荷载-位移曲线，讨论此梁的受力和变形情况。

图1 载荷及梁的几何尺寸

图2 梁的横截面配筋图

2.2材料性质及求解过程

a.钢筋及混凝土的材料力学参数见表1：

表1 混凝土及钢筋的材料参数一览表

b.单轴受压应力-应变曲线（？滓-？着曲线）：

在ANSYS分析中，需要给出混凝土单轴受压下的应力-应变曲线。在本算例中，混凝土单轴受压下的应力-应变采用Sargin和Saenz模型：

？滓=■

式中取？着■=（1.028-0.108■）■；

c.计算过程：

建立模型时，考虑其对称性，因此只需建立1/2模型，钢筋采用LINK8单元，采用等向强化双线性弹塑性材料模型；混凝土采用SOLID65单元，采用单轴受压应力-应变关系多折线模型[4]，裂缝张开传递系数取0.4，裂缝闭合传递系数取1.0。

2.3计算结果及分析

计算过程中关闭混凝土压碎开关，设置非线性收敛值为0.05，求解开始后打开自动时间步控制、线性搜索及大变形开关。用ANSYS分析钢筋混凝土材料时，较多的求解子步或较小的荷载步和一个非常大的最大子步数很容易导致收敛。在本算例中设置200个子步，最终收敛成功。

图3 简支梁荷载-跨中挠度曲线

从图3可以看出：曲线形状基本能反映钢筋混凝土适筋梁剪切破坏的受力特点，且荷载-跨中挠度曲线与钢筋混凝土梁的弯剪破坏形态一致，即当最大弯矩截面的纵筋屈服后，由于裂缝的延伸与开展，压区混凝土的面积逐渐减小，在荷载不增加的情况下，压区混凝土所受的剪应力和正应力还在不断增加，当应力达到混凝土抗压强度极限时，剪切破坏发生。钢筋混凝土的变化过程大致经历了三个阶段：加载至混凝土开裂以前，曲线近似为直线；当荷载增加到6kN～8kN时，混凝土开始发生开裂，裂缝的出现导致了曲线斜率的降低，即出现应力增大现象；随着荷载的进一步增大，曲线近似接近直线，当荷载增加到45kN以上时，纵向受力钢筋开始屈服，并进入塑性阶段。

3.结论

（1）利用ANSYS对钢筋混凝土梁作非线性分析时，需要充分考虑单元选择、材料本构关系、荷载步及收敛标准、屈服准则等若干问题时，才能保证分析结果的准确性和可靠性。

（2）此算例忽略了钢筋与混凝土之间的粘结与滑移，而大多数钢筋混凝土一般处于带裂缝工作状态，混凝土的开裂必然导致滑移产生和粘结失效，如要考虑粘结效应，需在钢筋和混凝土之间加入弹簧单元进行模拟分析。

（3）由于ANSYS软件的限制，在模拟钢筋混凝土简支梁过程中仍具有一定的局限性，需要进一步改进和完善。

【参考文献】

[1]郝文化，裕明，刘青山.ANSYS土木工程应用实例[M].北京：中国水利水电出版社，2005.

[2]尚晓江，年峰，赵海峰.ANSYS结构有限元高级分析方法与范例应用[M].北京：中国水利水电出版社，2006.

[3]郝文化，肖新标.ANSYS实例分析与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.

[4]龚曙光，谢桂兰.ANSYS操作命令与参数化编程[M].北京：机械工业出版社，2004：159-179.