ANSYS梁单元分析中如何考虑钢筋作用？

       今天水哥给大家带来一期比较有意思的话题：在ANSYS中，如果采用梁单元进行分析，该如何考虑钢筋对结构或者构件的影响？

       我们知道，99%的混凝土结构，身上都插满了各种各样的钢筋，每一种钢筋都起到自己该有的责任，在实际设计中，针对弹性阶段的分析，我们不考虑钢筋的作用，因而我们在建模阶段不需要将钢筋建立进去，然而在进行弹塑性分析阶段，则必须考虑钢筋对整体或者构件的影响，常用设计软件例如Midas、Sap2000等在操作上面很友好，在建模的时候只需输入截面的配筋，甚至可通过导入配筋文件来解决。

        那么在ANSYS中是否有这样一种单元可以模拟采用梁单元分析时钢筋的作用呢？

       答案是有的，这就是今天水哥要介绍的Reinf单元族。Reinf全称为Reinforce，水哥这里理解为加固，因而Reinf单元族可理解为一种“加固单元”族，主要包含三种单元：Reinf263、Reinf264以及Reinf265。其中263属于2D面加固、265属于3D面加固、264属于三维离散加固，明显，对于钢筋这种作用，可采用Reinf264单元来进行模拟，这也是水哥今天重点介绍的对象。

        Reinf264典型单元示意图如下，其中红色的就表示264单元：

3-D单元“钢筋”作用

2-D单元“钢筋”作用

1-D单元“钢筋”作用

       对于梁单元来讲，属1-D单元，在使用264单元的时候无需新建节点，264单元依附于梁单元存在，其特性（包括材料参数、面积、在截面的位置等）通过定义截面实现，有点类似我们在采用Midas进行截面定义时，输入配筋位置及钢筋直径等信息。此外，这个单元还可以通过输入Inistate命令输入初应力，这对于预应力钢筋而言是具有相当大的好处。

       下面水哥以一个简单的单跨梁计算来演示具体使用这个单元的过程。如下图1所示，我们选择某施工图中的一跨次梁计算，次梁配筋如下所示，总长8200mm，梁体保护层按20mm考虑，分别计算出每根钢筋在截面的相对位置，跨中截面和端部截面的断面图如图2所示。

图1 次梁总信息

图2 次梁截面信息

        关于截面信息的输入，采用如下配套命令：

        Sectype,Snum,reinf,disc

        Secdata,Mnum,Anum,Beam,Y1,Z1,Y2,Z2

      上述紫色字体为需要我们填入的数据，其中Y1~Z2为264两个端面处的相对位置坐标，当截面不是变截面时，只需要输入前面Y1、Z1就好，但如果是变截面，则需要按照比例输入Y2、Z2，值得注意的是Y1~Z2坐标计算均是基于截面的原点（可理解为形心点,这对于自定义截面比较重要，自定义截面时需要查看截面特性了解截面的原点坐标从而在进行计算）。

图3  264单元截面数据输入示意

图4 截面原点示意

整个建模过程如下：

finish

/clear

/prep7

et,1,beam189

!混凝土材料参数

mp,ex,1,3.0e4

mp,dens,1,2500e-12

mp,prxy,1,0.2

!钢筋材料参数

mp,ex,2,2.1e5

mp,dens,2,7850e-12

mp,prxy,2,0.3

!梁截面

sectype,1,beam,rect

secdata,200,500

!两种钢筋规格

A18=18*18*3.14/4

A16=16*16*3.14/4

!跨中截面配筋

sectype,2,reinf,disc

secdata,2,A16,Beam,-80,230

secdata,2,A16,Beam,80,230

secdata,2,A18,Beam,-80,-210

secdata,2,A18,Beam,-80,-230

secdata,2,A18,Beam,0,-230

secdata,2,A18,Beam,80,-210

secdata,2,A18,Beam,80,-230

!端部截面配筋

sectype,3,reinf,disc

secdata,2,A16,Beam,-80,230

secdata,2,A16,Beam,-80,210

secdata,2,A16,Beam,80,230

secdata,2,A16,Beam,80,210

secdata,2,A18,Beam,-80,-230

secdata,2,A18,Beam,80,-230

!=====================

K,1

K,2,2700

K,3,2700+2800

K,4,2700+2800+2700

K,5,0,1000

L,1,2

L,2,3

L,3,4

lesize,all,,,10

latt,1,,1,,,5

lmesh,all

!====================

!端部截面

lsel,s,,,1,3,2

esll,s,1

type,2

secnum,3

EREINF

!=====================

!跨中截面

lsel,s,,,2

esll,s,1

type,2

secnum,2

EREINF

!======================

allsel,all

/eshape,1

/solu

outres,loci

!考虑工况组合1.3D+1.5L

acel,,9800*1.3

dk,1,all,0

dk,4,all,0

d,all,uz,0

d,all,rotx,0

d,all,roty,0

sfbeam,all,1,pres,19

allsel,all

solve

/post1

allsel,all

plnsol,u,sum

跨中截面：

端部截面：

打开单元形状显示后的整体图：

计算结果位移云图：

为比较不同情况下的响应，水哥分别按如下两种情况做了对比分析：

1、不考虑钢筋作用，结构位移响应如下：

        从图中可见，当不考虑钢筋作用时，结构竖向最大位移由3.56mm增大致4.34mm，当然增长幅度不能说明任何问题。

2、根据《混规》7.2.2~7.2.3节，配筋面积与挠度大致成反比关系：

为验证配筋面积变化与挠度变化的趋势，此处将跨中钢筋规格由18改为20，位移云图如下：

      从图中可见，当不考虑钢筋作用时，结构竖向最大位移由3.56mm减小致3.48mm，与规范揭露的关系吻合。

      通过上述的操作，可以看出采用Reinf264能间接模拟钢筋对构件的作用，这也揭示了采用ANSYS进行弹塑性分析的一些要点！  

      在使用这个单元的过程中，有几个问题水哥得补充一下：

      1、不知道是否由于版本的原因，在具体显示云图过程中，会有部分版本显示钢筋飘离的现象，上述水哥用的版本为14版本，经测试，17、19版本均有这个现象，但混凝土梁的计算结果却是一致的，由此可大概判定这是显示问题，算是一个Bug（抑或是DB原因？）? 故用高版本计算时，需单独绘制混凝土构件的云图，不可一起绘制。

     2、关于264单元结果的提取，例如我们关心的钢筋应力，水哥至今还未想到一个相对比较完美的方法来提取，欢迎各位喜欢学习和钻研的同学研读相关Help，若有好方法，可告知水哥，分享于大家，共同学习。

      3、有兴趣的同学可通过Midas与ANSYS进行一个弹塑性分析的对比以便考查此种方法对结构的影响，水哥后期有时间会出相关弹塑性分析的案例。

      复工在即，祝愿大家工作顺利，学习开心！

祝好

ANSYS结构院

2020.02.22