ANSYS數值仿真技術對《鋼筋混凝土與砌體結構》課程的教學應用研究

【摘要】鋼筋混凝土與砌體結構作為土木工程專業的一門主干課程，具有計算公式多、計算量大、知識面廣、構造要求多等特點，一直以來是教學的難點。提出采用數值模擬仿真技術應用于教學過程中，幫助分析復雜的結構受力情況。實踐證明，將數值模擬仿真技術應用與課程中，能有效提高教學質量，提高學生思維應變和創新能力。

【關鍵詞】ANSYS；鋼筋混凝土結構；有限元

《鋼筋混凝土與砌體結構》作為土木工程專業的一門主干課程，具有計算公式多、計算量大、知識面廣、構造要求多等特點，一直以來是教學的難點。土木工程是一門與試驗密切掛鉤的學科，在專業教學中涉及到了很多試驗，例如：土力學試驗，建筑材料試驗，材料力學試驗，結構檢測試驗等，許多課程都在這些試驗過程和結果中得到總結和驗證，《鋼筋混凝土與砌體結構》課程就是典型，在教學過程中，涉及材料性能，受力原理、結構構造，并且涉及簡單工程實例的設計方法原理施工圖繪制等眾多知識點，對構件和結構進行試驗分析得到理論結果，對這門課程的教學是非常有幫助的，并且這一課程的教學效果直接影響學生的實際工程分析能力以及工程創新能力的培養，然而普通獨立院校常常受到試驗條件缺乏，設備落后的影響，導致教學模式固化，這一課程的試驗教學較少，嚴重影響學生理解和實踐能力的培養，導致學生缺乏工程意識。

國內外常采用數值模擬仿真軟件應用于工程實例，幫助分析復雜的結構受力情況，這種仿真軟件是融結構、熱力學、流體、電磁和聲學等于一體的大型通用有限元分析軟件，常應用在土木工程中，包括大壩工程、隧道及地下工程、橋梁結構工程、房屋建筑工程、邊坡工程以及基礎工程，分析各類工程結構的力學行為和在工程結構施做和使用過程中的力學行為的有限元分析過程，包括2D和3D的分析，其在實際工程中的應用是非常常見和成熟的。近些年，提出了將數值模擬仿真軟件應用于教學，將計算機輔助教學作為高校教學改革的發展方向，解決試驗條件缺乏的困境。國內已有教育家將數值模擬仿真軟件應用于部分土木工程專業相關課程的教學改革實踐中，例如在《理論力學》和《材料力學》的教學中引入計算機數值模擬仿真系統，并達到較好的教學效果。本文以《鋼筋混凝土與砌體結構》課程教學為例，分析計算機模擬仿真技術對《鋼筋混凝土與砌體結構》課程的教學應用研究，采用數值模擬仿真軟件應用于教學后能提高課程的教學效果，便于學生更直觀的掌握理論知識，培養出社會需要的復合型和創新性人才。

1、《鋼筋混凝土與砌體結構》課程的傳統教學中存在的問題

本課程內容復雜、概念多、公式多、理論多、計算量大、構造要求多，不僅學生難學，老師也很難教。大多數高校也沒有足夠的實驗室和設備可以做各種構件的受力分析試驗，因此，這門課的講授通常是老師滿堂課的“填鴨式”教學，即使是態度十分認真的學生也只能做到了解課堂知識，但如果換了環境，具體到一項實際工程項目，針對具體項目來設計構件，從結構分析、內力計算、配筋計算到繪制配筋圖一系列過程，很少有學生完成得了，對這門課的理解仍然是一知半解，不得精髓。這門課就沒有完成從“自主學”到“自主做”的轉換，實際現狀就是課堂都聽得懂，但是真實演練時卻不知從何入手。

近年來，隨著教育觀念的改革，計算機技術發展迅速，許多課程都面臨教學改革，如何豐富課堂內容、提高學生學習積極性、科技技術引入課堂教學中，改變課堂教學模式。如何能將《鋼筋混凝土與砌體結構》課程脫離老師講、學生聽的教學局面，一直以來都引起大家思考的方向。

2、模擬仿真技術對《鋼筋混凝土與砌體結構》課程的試驗教學應用

數值模擬仿真技術在工程實際中的應用是非常廣泛的，對于復雜不便于手算分析的大型結構，通常都是采用仿真技術在計算機上來模擬結構受風荷載、地震荷載、溫度變化等較難分析的問題。現將這種現代化技術與教學相結合，彌補試驗室問題的短缺，運用數值模擬仿真技術將結構在計算機中建模、對材料、構件和結構可以進行多數值模擬仿真，并且可以通過動畫顯示和數據輸出，以及可以通過結果反復驗證、分析、選擇出更優化的模型方案。

當前在鋼筋混凝土量有限元分析方面，ANSYS中較為常用的模型包括整體式、分離式和組合式三種。此次研究所用模型為分離式，將整個結構劃分為足夠小的單元，如果具備較強的黏性且不會出現相對滑移，則可將其看作剛性連接，也可以不作為聯結單元，如此一來可以更好的就微觀機理對鋼筋混凝土梁進行分析。

2.1選擇具體單元

利用ANSYS構建結構模型時，應先選擇具體單元。混凝土實體模型有著塑性變形、拉裂、徐變、壓碎等特點，通常會選用SOLID65單元對其結構進行模擬，適用于三維混凝土和預應力混凝土單位。該單元由八個節點組成，每個節點都可建立空間坐標系，有X、Y、Z三個視角，可從任意一個方向定義混凝土結構含筋量。在構建鋼筋結構模型時，所用單位為LINK-8，該單元由兩個節點組成，也具備三個自由視角，同樣可建立空間坐標系。然后用BKIN模型將鋼筋的本構關系呈現出來，在分析較大應變時有著良好的應用效果，模型中需要用到von-mises屈服準則，并且需設定好不同方向所測得的性能的具體數值。此次研究在構建BKIN模型時將辛格效應考慮在內后，假定其兩倍的屈服應力為總應力所屬范圍。

2.2明確本構關系

利用ANSYS軟件進行有限元分析時，要先對混凝土單位的破壞準則進行定義，并明確具體本構關系。基于軟件中所用到的CONCERETE的材料特性，所用到的破壞準則為Willam-Wamker五參數破壞準則，完成材料的應力—應變模型的構建，可以更好的對SOLID65單元進行模擬[2]。對預應力鋼筋混凝土結構進行分析，可以知道其應力應變關系并不復雜，鋼筋受力方式為單軸受力，在模擬鋼筋單元時，所用到的準則具體為隨動強化準則，應力—應變模型構建形式為雙折線型。

2.3施加鋼筋預應力

對于預應力鋼筋混凝土結構來講，在使用ANSYS軟件進行有限元分析時，通常會通過從外部向結構上施加荷載的方式，來達到與鋼筋應力等同的效果，通過計算分析，判斷出結構應力的具體分布。而對于結構中鋼筋和混凝土的受力特性，在分析時可將內力進行疊加得到最終結果。實際操作時，設定一個溫度作為鋼筋單元的初始溫度，再對其溫降值做出規定，鋼筋結構模型會受到溫度影響而出現收縮變形，所產生的預拉效應便可以作為其預應力。如果用△T表示鋼筋單元的溫降值，分別用E、A、P和α，分別表示鋼筋彈性模量、鋼筋截面積、預應力施加值和鋼筋線膨脹系數，則存在公式為△T=P/EAα[3]。

2.4數值計算及收斂

在有限元分析中，會涉及到非線性問題，而增量法和迭代法是最為常用的解題方法。增量法可以適用于多種情況，具有較強的實用性，對于荷載—位移之間的動態關系，可以更加全面、清晰的將其呈現出來，在與加載路徑相關問題的求解中有著良好的應用效果。而迭代法運用難度較小，當結構承受所有載荷時，可采用該種方法對其變化進行分析。在ANSYS軟件中，通常會采用增量的牛頓一拉夫遜方法處理非線性問題，對鋼筋混凝土梁進行有限元分析時，就非線性迭代的計算收斂，可用力范數和位移范數加以控制，分別存在以下關系式為： 和 。

其中，[KT]為切線剛度矩陣，{Δu}為位移增量，{u}n、{u}n+1為位移矢量， 和 分別表示外荷載矢量和內力矢量。根據上述公式進行迭代求解時，所用方法為波前法，表現為線性特征，如果前一次迭代計算中的力和位移是不平衡的，則再次進行迭代計算時會對其進行平衡處理，經過多次迭代計算后，當 — 和{u}n+1—{u}n之間的差值小于收斂數值時，便可以完成非線性運算。

對于鋼筋混凝土的有限元分析來講，在對收斂數值進行計算時，會受到多種因素的影響，包括收斂準則、網格密度、子步數、收斂精度等，運算難度較大。如果收斂精度沒有具體要求，則會以軟件默認值1‰為基準，可根據實際情況放寬其范圍，通常在3%～5%之間。同時，結合以往工程經驗，確定最佳的網格密度和子步數。另外，通過加速收斂可以提高收斂精度，所以可適當放寬收斂條件。

2.5算例分析

此次研究中，所用到的鋼筋混凝土梁結構為簡支梁，其截面呈矩形，長、寬、高分別為400cm、20cm和40cm，簡支梁中主筋數量為2根，直徑為2cm，與梁結構最低面間隔為28cm，位于梁的正中間，所承受的載荷F=2000N，鋼筋預應力施加值P=2000N。混凝土抗壓強度和抗拉前度F和F分別為25.98MPa和2.55MPa，混凝土彈性模量和鋼筋彈性模量E和E分別為3.58E4MPa和2.19E5MPa，鋼筋屈服強度為248 MPa。將上述數據代入到ANSYS軟件中，構建分離式有限元模型，假設梁受彎時截面上混凝土、鋼筋的應變符合平截面，且混凝土和鋼筋之間不發生相對滑移，變形協調。

2.6結果與討論

分別對施加預應力未加荷載、僅施加荷載、應力和荷載共同作用三種情況下的簡支梁撓度進行計算，所得結果分別為-0.231mm、0.978mm、0.746mm，與按結構規范設計計算結果0.765mm進行比較，可知在應力和荷載共同作用所得結果誤差較小，與參照標準僅相差了0.09mm。另外，可以發現施加預應力未加荷載所得有限元模型值與僅施加荷載模型值之和，幾乎等同于應力和荷載共同作用下的有限元模型至，兩者之間的誤差僅為0.001mm，表明通過施加預應力的方法，鋼筋混凝土梁的跨中撓度數值將會顯著減小。根據最終研究結果可知，利用ANSYS軟件通過構建模型，對鋼筋混凝土梁進行有限元分析是切實可行的，可以得到較為精準的數值，值得推廣和應用。

總結：

在鋼筋混凝土結構的教學分析中運用有限元法，可以有效傳統教學試驗法中存在的不足，不僅可以得到準確的計算結構，了解結構各項特性，還可以有效解決通過試驗所不能處理的問題。基于ANSYS有限元分析法所體現出的優點，已經在鋼筋混凝土結構分析中得到廣泛應用，并且隨著相關研究的不斷深入，該項技術在教學過程中的應用也是前景光明的。

參考文獻：

[1]徐文，孫昌玲，劉一鳴.基于Ansys的鋼筋混凝土連梁的受力性能研究[J].工程與建設，2015，（4）：441-442.

[2]倪國葳，李曉慶.ANSYS分析碳纖維加固損傷鋼筋混凝土梁[J].河北聯合大學學報（自然科學版），2014，（2）：97-101.

[3]王遠飛，余報楚.基于ANSYS14.5的鋼筋混凝土建模及分析[J].山西建筑，2016，（2）：35-36.

作者簡介：

符媛媛（1983.12-），女，漢，湖北武漢人，武漢科技大學城市學院講師，碩士，研究方向：鋼結構與混凝土結構。