鋼筋混凝土結構的動力增量分析

靳 鑫，王曉林

（太原理工大學建筑與土木工程學院，山西 太原 030024）

鋼筋混凝土結構的動力增量分析

靳 鑫，王曉林

（太原理工大學建筑與土木工程學院，山西 太原 030024）

結合鋼筋混凝土的材料特性，介紹了基于ANSYS軟件對鋼筋混凝土結構進行非線性分析的重要問題，探討了ANSYS在預處理模塊、分析計算模塊和后處理模塊中的具體技術要點。文章重點介紹了動力增量分析方法的原理，通過與push-over方法的對比，得出了該方法所具有的優勢，并通過針對鋼筋混凝土結構來具體介紹增量動力分析法的應用。

ANSYS；鋼筋混凝土；非線性有限元分析；動力增量分析

1 概述

鋼筋混凝土是一種復合型材料，其受力分析十分復雜。具體表現有：①混凝土和鋼筋相比，其抗拉強度很低，約為鋼筋抗拉強度的1/10，因此，通常情況下鋼筋混凝土結構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法反映結構的內部塑性區和裂縫的開展情況等等，所以裂縫的出現大大增加了結構分析的難度；②鋼筋和混凝土之間雖然有黏結作用，但是二者之間還是會涉及到共同作用的問題，這也是在分析結構建模時必須要考慮到的問題；③混凝土與鋼筋不同，其本身就是由多種原材料復合加工而成，故它是一種彈塑性材料，其力學性能呈現非線性，即應力、應變之間是非線性關系。

文章從鋼筋混凝土的特殊性能入手，具體介紹ANSYS在鋼筋混凝土結構中的應用情況，并通過與push-over分析方法的對比，應用增量動力分析方法進行結構分析。

2 鋼筋混凝土非線性分析特點

對于鋼筋混凝土結構，非線性有限元結構分析方法比線彈性有限元方法具有“全過程仿真”的優勢。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表示。鋼筋混凝土材料中許多材料特性沒有被反映出來，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關系；②多軸狀態下的破壞準則；③混凝土開裂及開裂后表現；④混凝土與鋼筋的共同作用；⑤混凝土溫度場、徐變、干縮、環境濕度等時間性因素影響。其次是“全過程分析”，如果采用動量增量法分析，即在計算過程中逐級加載，從零荷載開始逐級加載，直至結構發生破壞，反映了結構材料處于線彈性階段——彈塑性階段——鋼筋屈服階段——結構破壞階段全過程的受力情況，故非線性有限元分析具有完整性特點。

3 混凝土在ANSYS中建模時的單元選擇

3.1 單元選擇

在ANSYS給定的單元計算類型中選用solid65單元來模擬混凝土，solid65單元是具備8個節點6個面的三維實體單元，每個節點共有3個方向的自由度，即Ux，Uy和Uz。之所以選擇solid65單元來模擬混凝土，是因為該單元考慮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

混凝土本構關系的模型對鋼筋混凝土結構的非線性分析有重大影響，在建立混凝土本構關系時一般都是基于現有的連續介質力學的本構理論，再結合混凝土的力學特性，然后調整本構關系中各種所需的材料參數。通常混凝土的本構關系可以分為線性彈性、非線性彈性、彈塑性及其他力學理論等四類。其中研究最多的是非線性彈性和彈塑性本構關系。

線性彈性本構關系認為應力、應變，加載、卸載時呈線性關系，完全服從胡克定律，應力與應變是相互對應的關系。在實際結構設計中線性彈性仍然是應用很廣泛的本構關系模型。非線性彈性本構關系則認為應力和應變不成正比，但是有對應關系。卸載后沒有殘余應變，應力狀態完全由應變狀態決定，而與加載歷史無關。非線性彈性本構關系分為全量型（如Ottosen模型）和增量型（如Darwin-Pecknold模型）兩類。

4 模型網格的劃分

ANSYS中對模型的網格劃分有兩種方法:自由網格劃分和映射網格劃分。自由網格劃分對于單元形狀沒有限制，并且沒有特定的準則。與自由網格相比，映射網格劃分就對單元形狀有限制。而且必須要滿足特定的規則。映射面網格包含四邊形和三角形單元，映射體網格只包含六面體單元。映射網格具有規則形狀明顯成排的單元，如果想要這種網格類型，必須將模型劃分成具有一系列規則的體和面，但映射網格的優點就是有利于結點數據的儲存、計算速度快、耗時少。

5 增量動力分析方法原理

抗震設計經歷了靜力理論分析階段、反應譜理論階段及動力理論階段。近幾年，性能的抗震設計理論與方法得到許多學者的青睞，其主要方法有兩種：靜力推覆分析法和動力增量分析法。動力增量分析方法即為逐步增量彈塑性時程方法，主要是以場地地震面運動時程為荷載作用，以大量實驗總結得到的結構截面及結點力與位移關系模型，反映地震作用下結構中各截面和結點的剛度變化。具體的分析過程是通過分析不同強震記錄作用下結構的非線性動力位移響應，來確定或檢驗結構的抗倒塌能力。由于該分析過程是非線性動力過程，能較好地反映結構在未來可能遇到的不同強震作用下剛度、強度以及變形能力的變化全過程。

對于一條特定地震動輸入，通過設定一系列單調遞增的地震強度指標，并對每個地震強度指標進行結構彈塑性時程分析，可得到結構在不同地震強度作用下的一系列彈塑性地震響應。最后便可得到一條地震動強度——結構在地震作用下的破壞程度曲線，即IDA曲線。其中，常用的表示地震動強度的參數有峰值地面加速度、峰值地面速度、譜加速度等，表征結構在地震作用下的破壞程度的常用參數有基底最大剪力、頂點最大位移、延性和各種損傷指數等。

6 增量動力分析方法比push-over有一定的優越性

增量動力分析與push-over相比，具有明顯的優勢：增量動力方法能夠真實地反映結構的動態特性、非線性特性，所得結構能力的統計值也具有相對的穩定性，能夠反映結構的極限變形能力，能更準確地反應結構在大震作用下的真實行為。

IDA曲線具有以下特征：

（1）能反應結構在未來可能遇到的不同強震作用下的需求能力和抗倒塌能力。

（2）能評估不同性能水準下的抗震性能狀態。

（3）能較好的反映結構在強震作用下剛度、強度以及變形能力的變化過程。

7 結束語

目前，鋼筋混凝土結構應用非常廣泛，而且近些年來結構的抗震也成為了人們最為關注的一個問題，因此，文章針對鋼筋混凝土結構的抗震分析方法進行了討論。通過文章的分析，發現增量動力分析方法有著其自身的優越性，這是抗震分析領域的一大進展，隨著有限元軟件的不斷發展，可以實現該方法的模擬，并且得出該方法比push-over方法的結果更接近真實地震作用下結構的響應。

由于篇幅有限，未能針對不同的結構體系來論證增量動力分析方法，只是介紹了鋼筋混凝土的特點結合軟件進行了介紹，在以后的實際工程中，希望能對這一抗震分析方法進行更加嚴密的理論論證。

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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，太原理工大學建筑與土木工程學院碩士研究生。