ANSYS分析FRP加固混凝土梁的有限元模型

摘要：介绍了ansys软件分析frp加固混凝土结构的单元及模型建立，总结了ANSYS软件分析FRP加固混凝土结构应该注意的事项和目前研究的不足。

关键词： ANSYS ；FRP加固 ； 有限元模型

中图分类号： TU37文献标识码：A

0引言

有限元方法是建立FRP加固混凝土模型的有效方法，ANSYS中的Solid65单元提供了整体性钢筋模型，目前研究者基本上都通过在有限元模型中使用各种界面单元来模拟FRP－混凝土的界面行为，FRP－混凝土的界面行为的模拟对有限元分析模型的建立至关重要。

1、单元简介

模拟混凝土结构的单元－Solid65

ANSYS中的Solid65单元是专为混凝土、岩石等抗压能力远大于抗拉能力的非均匀材料开发的单元，Solid65单元是在三维8节点等参元Solid45单元的基础上，增加了针对于混凝土的性能参数和组合式钢筋模型。该单元具有八个节点，每个节点有三个自由度（X、Y、Z三个方向的线位移）；单元最多允许有4种材料，即混凝土和以弥散方式分布于其中的3个方向的独立配筋，具有模拟混凝土材料的开裂、压碎、塑性变形和蠕变的能力[1-3]。

2 有限元模型的建立

2.1 单元类型的选取

混凝土采用配筋的Solid65单元，忽略钢筋与混凝土之间的滑移；纤维布采用Shell41单元，使用Combin39非线性弹簧单元模拟纤维布与混凝土之间的滑移关系；在梁支座增加弹性垫块以减少应力集中，采用Solid45单元模拟。

2.2 材料的本构模型和破坏准则

2.2.1 混凝土

混凝土材料的非线性模型采用多线性各向同性强化模型（MISO），混凝土的单轴受压应力－应变曲线，采用设计规范[4]建议的分段式曲线方程(公式1)：

定义：

当时

（1-a）

当时

(1-b)

式中，和分别为单轴受压应力－应变曲线的参数值，按下式采用：

（1-c）

（1-d）

－混凝土轴心抗压强度（N/）。

、－分别为与对应的峰值压应变和混凝土的极限压应变，按下列公式计算：

（1-e）(1-f)

混凝土开裂后，裂缝张开和闭合的剪力传递系数分别取为0.5和0.95。

2.2.2 钢筋

采用理想弹塑性的应力－应变关系，理想曲线的方程如公式（2）所示：

当时，

当时， （2）

2.2.3 FRP材料与混凝土之间的粘结滑移关系

采用清华大学陆新征博士建议的FRP与混凝土的粘结－滑移模型[5]：

（3-1）

（3-2）

其中：

（3-3）

（3-4）

（3-5）

（3-6）

（3-7）

2.3 收敛的设置

采取了以下加速收敛的措施：关掉混凝土的压碎选项（即令混凝土单轴抗压强度为-1）；将荷载通过一系列的荷载子步逐步施加，并多次调整荷载子步数进行试算，以获得最佳的收敛结果；采用以力为基础的收敛准则，收敛精度放宽为5％；打开自动时间分步与线性搜索选项[6]。

3、ANSYS软件分析FRP加固混凝土结构的方法及应该注意的问题

在建立有限元模型和求解的过程中，一般需要注意以下问题：

（1）关于混凝土受压应力－应变曲线的下降段，采用下降段时，由于会形成负的刚度矩阵，从而造成有限元求解的困难，但是不输入下降段，则与实际的混凝土受压特性不符。

（2）有限元模型中的支座和加载点是需要特别注意的，为避免这里的应力集中，一般可以加一个刚性垫块，采用Solid45单元模拟。

（3）荷载的施加，一般采用位移控制，并且采用多个荷载子步施加荷载，以利于求解的收敛。 [7]

4、结论及建议

对基于ANSYS软件进行的FRP加固混凝土结构的有限元分析，虽然国内外对此已经进行了不少研究，也取得了很多的成果，但仍有以下问题没有很好解决：

（1） FRP－混凝土界面的粘结－滑移行为对于正确模拟FRP抗剪加固混凝土梁的行为至关重要，不考虑FRP与混凝土之间的滑移，在有限元模型中表现为简单地将结合点耦合，这样虽降低了有限元分析的难度，却无法模拟FRP的剥离行为，准确性不足。

（2）通过在有限元模型中使用各种界面单元来模拟FRP－混凝土的界面行为，采用较多的是FRP－混凝土界面粘结滑移本构，混凝土本构和FRP－混凝土界面行为是建立FRP抗剪加固有限元分析模型的两个主要方面，现有的混凝土本构在处理剪切问题时的表现都不尽如人意。

（3）利用ANSYS软件进行混凝土结构的有限元分析时，由于混凝土在受拉受压下表现出的非线性以及软件自身收敛性的不足，有限元求解难以收敛几乎是每个研究者都无法避免的。

参 考 文 献：

1ANSYS Theory Manual 5.7, 2001. ANSYS Inc., 2001

2ANSYS User’s Manual for Revision 5.7. ANSYS Inc., 2001

3郝文化.ANSYS土木工程应用实例[M].北京:中国水利水电出版社.2005

4中国建筑科学研究院主编.GB 50010－2002,混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2002.

5Lu Xinzheng, Teng Jinguang, Ye Lieping and Jiang Jianjing. Bond-slip models for FRP sheet/plate-to--concrete interfaces [A]. Proc.2nd International Conference of Advanced Polymer Composites for Structural Applications in Construction [C]. Cambridge, UK: Woodhead Publishing Ltd, 2004. 152~161.

6 陆新征,江见鲸.用ANSYS Solid65单元分析混凝土组合构件复杂应力[J],建筑结构,2003.6,33(6):22－24.

作者简介：赵健（1979.1－），男，工学学士，工程师。

刘静（1977.3-） 女，工学学士，高级工程师。