ANSYS模拟钢筋混凝土结构的探讨

【摘要】随着ANSYS应用的不断推广，研究其模拟钢筋混凝土结构凸显出重要意义。本文首先对相关内容做了概述，分析了钢筋混凝土有限元模型。在探讨钢筋混凝土材料、单元模型及网格划分的基础上，研究了ANSYS模拟钢筋混凝土结构。

【关键词】ANSYS；模拟；钢筋混凝土结构；探讨

中图分类号： C35 文献标识码： A

一、前言

作为一项实际应用效果良好的模拟方法，ANSYS模拟在近期得到了广泛的应用。研究其模拟钢筋混凝土结构，能够更好地优化钢筋混凝土的实际预期效果，进而提升其可靠性与稳定性。本文从概述相关内容着手本课题的研究。

二、概述

一般来说，不同季节和不同时间环境温度改变都会给材料带来“热胀冷缩”现象。这种因为温度变化使材料产生的应力为温度应力。对于室内环境温度较高或室外需要露天工作的混凝土构件，其温度变化较大所以产生的温度应力也较大，而这种温度应力对构件带来影响往往也是不可忽视的。由于钢筋混凝土结构的性质复杂，材料非线性与几何非线性常同时存在，所以用传统的方法来分析和描述这种温度应力产生的变形则难度非常大。

随着计算机处理能力的不断增强以及非线性有限元方法的日臻完善，有限元作为一个强有力的数值分析工具，在钢筋混凝土结构非线性分析中正显示着越来越大的实用性和方便性。目前，ღ可以利用比较完善的特种单元来近似模拟混凝土或钢筋混凝土材料，在大型通用有限元软件ANSYS中，Solid65单元常被用来模拟钢筋混凝土等抗压能力远大于抗拉能力的非均匀材料。另外ANSYS提供的热―结构耦合分析，可以将温度影响施加到建立的模型中进行分析，从而得出温度对结构产生的应力。

三、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、ก整体式和分离式三种模型。

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。

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体位置和方向，也不能计算裂缝的宽度。

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Σ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。

四、钢筋混凝土材料、单元模型及网格划分

1.材料模型

在型钢高强高性能混凝土梁的数值模拟中，型钢和钢支座垫板的材料模型可采用多折线性随动强化模型（MKIN），单轴应力应变关系采用多折线型；纵筋和横向箍筋采用双折线的等强硬化模型（BKIN），单轴应力-应变关系为理想弹塑性模型。对于混凝土材料，在单调加载时，其单轴受压应力应变关系可采用Saenz模型，并按照非线性弹性材料模型（MELAS材料模型）输入，该模型能较好反映混凝土应力-应变曲线下降段。混凝土破坏准则采用ANSYS程序中的William-Warnke五参数破坏准则。

2.单元模型

五、ANSYS模拟钢筋混凝土结构分析

对所建模型施加位移约束和力荷载，设定计算控制参数和计算步骤，得到相关的计算结果，包括开裂荷载、极限荷载以及极限荷载所对应的跨中挠度，计算时分为考虑粘结滑移和不考虑粘结滑移两种情况。

计算结果表明：考虑粘结滑移的开裂荷载和不考虑粘结滑移的开裂荷载接近，均比试验结果低，其原因可能是由于梁开裂时的裂缝和荷载较小，不易准确观测，且有限元计算模型和试验本身也存在一定偏差；考虑粘结滑移的极限荷载比不考虑粘结滑移的极限荷载要低，但与试验值更为接近，绝对误差在10%以内，效果较理想；考虑粘结滑移和不考虑粘结滑移的极限荷载对应的跨中挠度都比试验结果小，表明ANSYS分析过程中，构件的整体刚度比实验构件的要大。考虑粘结滑移的计算曲线与不考虑粘结滑移的计算曲线相比，曲线的上升段比较接近，但曲线对应的极限荷载较低，对应的挠度稍有增加，曲线的整体刚度有一定降低。在荷载作用初期，荷载-变形曲线明显呈线性变化，曲线斜率相对比较大，构件处于弹性工作阶段；随着荷载的增加，梁底混凝土开裂，荷载-变形曲线斜率减小，说明混凝土的开裂对梁的刚度产生了一定影响，并且梁中的受拉钢筋和型钢下翼缘出现屈服，此阶段构件处于弹塑性工作阶段；荷载继续增加，荷载-变形曲线开始明显弯曲，出现了变形增长速度大于荷载增长速度，并逐渐出现了荷载不再增加，而变形加大，此时整个构件进入塑性工作阶段。钢筋和型钢应力发展过程曲线可知受拉主筋首先屈服，接着受拉区型钢翼缘屈服，然后是受压区的纵筋屈服，受压区型钢翼缘未达到屈服；试件的破坏是由受压区混凝土破坏控制。当达到极限荷载，相应的受拉区主筋、型钢翼缘和受压区主筋、型钢翼缘应力均下降到保持一定水平。跨中截面的正应力随着荷载增加，跨中截面的正应力分布由直线向抛物线发展，最终受压区边缘混凝土的正应力达到混凝土的抗压强度。ANSYS计算得出❤的裂缝分布基本上能够反映试验构件的裂缝位置、出现的先后顺序及裂缝的大致发展高度，但对裂缝的间距和宽度却较难体现。

六、结束语

通过对ANSYS模拟钢筋混凝土结构的相关研究，我们可以发现，该项工作良好效果的取得，要深入利用客观技术优势，有关人员应该从钢筋混凝土结构的应用环境出发，研究制定最为科学合理的ANSYS模拟实施方案。