钢筋混凝土结构弹塑性分析在ANSYS 中的实现1

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1、钢筋混凝土结构弹塑性分析在ANSYS中的实现周岑孙利民（同济大学土木工程防灾国家重点实验室200092）摘要钢筋混凝土结构是现代土木工程中最常用的结构形式。本文针对运用ANSYS进行钢筋混凝土结构的弹塑性分析，通过与理论解比较，依据分析对象的结构层次（结构、构件）、分析类型（静力单调加载、反复加载）、荷载水平（线弹性、弹塑性），讨论了单元类型、材料模型及模型参数的选取，必要时甚至采用UPF等二次开发工具进行分析。分析表明，合理的模型可以得到令人满意的结果。关键词钢筋混凝土结构弹塑性ANSYSRealizationofRCStructureElasto-plastic

2、AnalysiswithANSYSZhouCenSunLimin(StateKeyLaboratoryforDisasterReductioninCivilEngineering)Abstract:RCstructureisthemostcommonstructuretypeinmoderncivilengineering.Inthispaper,howtoanalyzeRCstructureelasto-plasticanalysiswithANSYSisdiscussed.Comparedwiththeoreticalresults,itisdiscussedh

3、owtoselectelementtype,materialmodelandparameterbasedonthestructurelevel(wholestructureormember),analysistype(understaticmonotoneloadorcyclicload),loadlevel(linearelasticorelasto-plastic)andUPFifnecessary.Theanalysisshowsthatsatisfactoryresultsmaybeobtainedfromrationalmodels.1前言钢筋混凝土材料由

4、于结实且价格低廉，已经成为土木工程结构中采用得最多的材料。土木工程师在对钢筋混凝土结构进行受力分析时，往往希望通过采用诸如ANSYS等通用有限元软件计算。由于钢筋混凝土实际上是一种复合材料，且混凝土本身的均质性较差。在运用ANSYS进行分析时应合理选用单元类型及材料模型，以求较好的计算精度。2单元类型的选取钢筋混凝土结构有限元分析中单元划分通常基于两个层次：梁杆单元和实体单元。前者着重分析单元力（包括力和弯矩）与位移（包括位移和转角）之间的关系，而后者着重于分析单元的应力－应变关系。单元类型的选取应兼顾计算规模、材料模型的精度等多方面的因素。通常对于大型结构进行分析

5、时，分析模型应包括上部结构、下部结构、基础，甚至一定范围内的地基，这样才能较好的考虑整体结构的受力状况。但由于全结构模型规模较大，通常采用梁杆单元将结构离散成为梁杆体系进行分析。钢筋混凝土结构计算中采用梁杆体系的另一个重要原因是由于钢筋混凝土材料本构模型的复杂性（将在下节详细介绍），将钢筋混凝土材料应力－应变关系运用于计算所得到的精度通常低于直接将实验取得的构件M－Φ（弯矩－转角）关系运用于计算。值得推荐的做法是先采用梁杆单元模型计算出整个结构的受力情况，再对受力复杂区域（如梁柱节点）或重要的构件等子结构将梁杆体系中计算得到的力和位移施加到实体单元模型上，分析局部应

6、力和应变。随着计算机软硬件技术的发展，计算规模的限制将不断被突破。在结构分析中应该尽可能多地采用三维实体单元建模，力求最大程度的真实模拟实际结构各构件的几何尺寸、空间位置、连接条件和边界条件。3材料模型的选取图1典型的混凝土本构曲线图2多线性随动强化模型(MKIN)钢筋混凝土结构有限元分析的最大的难点在于材料模型的准确描述。钢筋混凝土是由钢筋和混凝土两种具有不同物理－力学性能的材料组合而成的复合材料，分析其材料模型首先应把握两者的力学性质。钢筋作为一种金属材料，其力学模型相对容易把握，一般采用双线性随动强化模型（BKIN）。而混凝土作为一种混合材料，其本构模型非常复

7、杂，将在下文重点论述。其次，钢筋与混凝土两者之间的粘结、滑移以及相互作用是非常复杂的。因此，虽然历经近百年的试验研究，对钢筋混凝土机理的认识水平日益深刻，但是在本构关系上尤其是运用到有限元计算中还不能说已经较好的解决了问题。混凝土是由粗细骨料与水泥加水拌和而成的混合材料（有时还有少量的外加剂），硬化后的混凝土中包含少量的自由水、孔隙，因此严格的说混凝土不是一种均质材料。而ANSYS等通用有限元软件中提供的材料模型大多数为基于经典材料力学理论的均质材料模型，如金属等。通过典型的混凝土本构曲线（图1）可以看出混凝土的本构关系区别于金属材料的特点主要有:1.混凝土是一