Ansys在鋼筋混凝土應用的探討

【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支梁，得到了其荷載撓度曲線，由此說明ANSYS分析鋼筋混凝土問題時，有一定的局限性和不準確性，需要進一步完善和改進。

【關鍵詞】鋼筋混凝土簡支梁；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，混凝土設計規范都是以大量的實驗數據為基礎而建立的。其實驗周期長，耗費大量的人力、物力和財力，并且影響因素極其復雜和極不穩定。而大型有限元軟件ANSYS可用于分析靜力與動力、線性與非線性等問題，能夠很好地反映鋼筋混凝土在復雜因素作用下的力學特征。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混凝土與鋼筋處于同一位移，即認為鋼筋與混凝土完全粘結，不考慮其粘結滑移。它把混凝土和鋼筋包含在一個單元之內，分別計算它們對單元剛度矩陣的貢獻，再通過疊加得到單元剛度矩陣。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，并對截面應變做出某些特定假設，在鋼筋混凝土板殼結構中應用最多和最為廣泛。

1.2整體式模型

整體式模型把鋼筋混凝土看作一種勻質連續材料，通過調整單元的材料力學性能參數考慮鋼筋對整個單元矩陣的貢獻。這一模型計算簡單，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滑移的情況。其主要缺點是誤差較大，不能求出鋼筋應力分布，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。分離式模型的優點是考慮了鋼筋與混凝土之間的粘結滑移，可較為正確地計算出裂縫寬度；其主要缺點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，開裂必然導致鋼筋和混凝土變形不協調，因此這種模型應用最為廣泛。下面用ANSYS采用分離式模型來模擬和計算鋼筋混凝土簡支梁的受力和變形。

2.算例

2.1建模及求解

鋼筋混凝土簡支梁截面尺寸為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。假設鋼筋與混凝土粘結良好，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材料性質及求解過程

a.鋼筋及混凝土的材料力學參數見表1：

表1 混凝土及鋼筋的材料參數一覽表

b.單軸受壓應力-應變曲線（？滓-？著曲線）：

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

？滓=■

式中取？著■=（1.028-0.108■）■；

c.計算過程：

建立模型時，考慮其對稱性，因此只需建立1/2模型，鋼筋采用LINK8單元，采用等向強化雙線性彈塑性材料模型；混凝土采用SOLID65單元，采用單軸受壓應力-應變關系多折線模型[4]，裂縫張開傳遞系數取0.4，裂縫閉合傳遞系數取1.0。

2.3計算結果及分析

計算過程中關閉混凝土壓碎開關，設置非線性收斂值為0.05，求解開始后打開自動時間步控制、線性搜索及大變形開關。用ANSYS分析鋼筋混凝土材料時，較多的求解子步或較小的荷載步和一個非常大的最大子步數很容易導致收斂。在本算例中設置200個子步，最終收斂成功。

圖3 簡支梁荷載-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，且荷載-跨中撓度曲線與鋼筋混凝土梁的彎剪破壞形態一致，即當最大彎矩截面的縱筋屈服后，由于裂縫的延伸與開展，壓區混凝土的面積逐漸減小，在荷載不增加的情況下，壓區混凝土所受的剪應力和正應力還在不斷增加，當應力達到混凝土抗壓強度極限時，剪切破壞發生。鋼筋混凝土的變化過程大致經歷了三個階段：加載至混凝土開裂以前，曲線近似為直線；當荷載增加到6kN～8kN時，混凝土開始發生開裂，裂縫的出現導致了曲線斜率的降低，即出現應力增大現象；隨著荷載的進一步增大，曲線近似接近直線，當荷載增加到45kN以上時，縱向受力鋼筋開始屈服，并進入塑性階段。

3.結論

（1）利用ANSYS對鋼筋混凝土梁作非線性分析時，需要充分考慮單元選擇、材料本構關系、荷載步及收斂標準、屈服準則等若干問題時，才能保證分析結果的準確性和可靠性。

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

（3）由于ANSYS軟件的限制，在模擬鋼筋混凝土簡支梁過程中仍具有一定的局限性，需要進一步改進和完善。

【參考文獻】

[1]郝文化，裕明，劉青山.ANSYS土木工程應用實例[M].北京：中國水利水電出版社，2005.

[2]尚曉江，年峰，趙海峰.ANSYS結構有限元高級分析方法與范例應用[M].北京：中國水利水電出版社，2006.

[3]郝文化，肖新標.ANSYS實例分析與應用[M].北京：清華大學出版社，2004.

[4]龔曙光，謝桂蘭.ANSYS操作命令與參數化編程[M].北京：機械工業出版社，2004：159-179.