ANSYS钢筋混凝土建模方法综述

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        利用大型通用有限元软件ANSYS进行钢筋混凝土结构的建模、计算分析、结果处理是目前针对钢筋混凝土进行数值模拟的重要步骤。如何采用ANSYS进行钢筋混凝土建模,能否把握有限元模型的可行性、合理性是将有限元理论应用到实际工程中较为关键的一环。

        按照目前在建模中对钢筋的处理方式,ANSYS钢筋混凝土建模方法主要分为三种:整体式、分离式以及组合式,每种方法都具有不同的建模特点,现略做总结如下。

一、整体式建模

       ANSYS采用Solid65单元来模拟混凝土,所谓整体式建模也即是在建模过程中,通过对65单元进行实常数的设置来考虑钢筋对混凝土结构的作用。这种方法将钢筋弥散于整个单元中,并视单元为连续均匀材料。与其他方法比较,整体式建模的单元刚度矩阵综合了钢筋和混凝土单元的刚度矩阵,并且是一次性求得综合的刚度矩阵。

        因此,在采用整体建模方法时,在建模之前,应首先求得单元各个方向的配筋率,并设置实常数,一般适用于体量较大,配筋比较规整的钢筋混凝土结构。整体式建模所得计算结果对比实验来讲,其计算的开裂荷载误差较小,但开裂荷载后的整体荷载位移曲线与实验相比误差较大。但采用整体建模方法的主要好处是能有效避免因为单元细分导致的应力奇异问题,有利于提高整体计算的收敛性性能。

二、分离式建模

      与整体式建模方法不同,分离式建模是指在建模过程中,考虑钢筋与混凝土的相互作用,分别选用不同的单元来模拟钢筋和混凝土。一般而言,钢筋采用线单元link8模拟,混凝土选用配筋率为0的素混凝土Solid65单元模拟。

        由于采用不同单元建模,如果认为结构在受外部荷载作用时,钢筋与混凝土在相互约束情况下会产生相对滑移,这时可以在钢筋与混凝土之间添加粘结单元来模拟钢筋与混凝土之间的粘结与滑移,一般采用非线性弹簧conbin39。如果认为两者之间连接紧密,不会出现滑移,可视为刚性连接,只需通过合并节点即可,也即是相当于两者节点耦合。

        从上述表述可见,分离式模型可以揭示钢筋与混凝土之间相互作用的微观机理,而这也是整体式模型无法做到的。因此在需要对结构构件内的微观机理分析时,应采用分离式模型。但同时也可预见,由于要分别建立钢筋模型以及混凝土模型,在前期建模时工作量较大。同时,因为在建模时需要划分出钢筋线,很容易导致在网格划分时单元形状的严重扭曲,从而加大了在非线性计算过程中应力奇异现象出现的概率,整个结构计算收敛性较差。

三、组合式建模

        组合式建模综合了整体式建模与分离式建模的建模特点,在实际工程中相比而言更具有操作性。所谓组合式建模也即是当存在形状复杂钢筋线或者预应力钢筋或者有特殊材料制作的钢筋时,对这部分特殊钢筋采用分离式建模,对其他普通钢筋则采用整体式建模。

        该种方法相比其他方法来讲在可以探讨特殊钢筋的微观机理时,工作量适中,同时整体结构计算的收敛性性能也大为改善。

        综上所述,在实际操作中,如果结构体量较大,配筋比较规整,则可以考虑采用整体建模;如果结构体量较小,划分钢筋线工作量较小或者存在特殊钢筋时,可以考虑采用分离式建模;如果这两种情况皆有,则可以考虑采用组合式的建模。

        如果朋友们在进行钢筋混凝土非线性计算时,屡次出现收敛困难,而调整参数又无多大改善时,是否可以考虑换一种建模方式呢?

 

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