解放军理工大学工程兵工程学院课程论文基于ANSYS的钢筋混凝土结构实例分析课程名称：高等军桥结构分析专业：桥梁与隧道工程学生姓名：马森学号： S201103062指导教师：郭志昆教授陈万祥讲师时间： 2012年7月14日基于ANSYS的钢筋混凝土结构实例分析马　森　（解放军理工大学工程兵工程学院，江苏，南京，210007）摘要：讨论了在大型有限元软件ＡＮＳＹＳ中用于混凝土材料的Ｓｏｌｉｄ６５单元，　介绍了混凝土和钢筋共同工作时的建模方法及相互连接的处理，　利用Ｓｏｌｉｄ６５单元对钢筋混凝土板进行了分析。

分析表明，　用Ｓｏｌｉｄ６５单元模拟钢筋混凝土材料所得到的结果，　能较好地反映钢筋混凝土板的非线性力学特征。

关键词：Ｓｏｌｉｄ６５单元；ＡＮＳＹＳ；钢筋混凝土结构　中图分类号：ＴＵ３７５１１；　Ｏ２４２１２１文献标识码: A钢筋混凝土是土木工程中应用最广泛的材料，钢筋混凝土相关力学问题的分析是进行土木工程分析的基础。

对于性质复杂的钢筋混凝土结构, 材料非线性与几何非线性常同时存在, 用传统的方法来分析和描述难度非常大，用有限元等工程软件进行钢筋混凝土的力学行为的模拟分析，对于结构设计的合理性与经济性非常有意义。

1 Solid65单元１．１ 单元简介　通常钢筋混凝土结构有限元分析的单元分为两种：杆系单元和实体单元。

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。

对于全结构规模较大，可将结构离散成杆系单元进行分析。

对于复杂区域(梁柱节点)或重要的构件等可将杆系结构计算的力和位移施加到实体单元模型上，分析局部应力和应变。

在结构分析中应尽可能多地采用三维实体单元模型，力求最大程度地真实模拟实际结构构件。

Solid65单元用于含钢筋或不含钢筋的三维实体模型。

该实体模型可具有拉裂与压碎的性能。

在混凝土的应用方面，如用单元的实体性能来模拟混凝土，而用加筋性能来模拟钢筋的作用。

当然该单元也可用于其它方面，如加筋复合材料（如玻璃纤维）及地质材料（如岩石）。

该单元具有八个节点，每个节点有三个自由度，即x,y,z三个方向的线位移；还可对三个方向的含筋情况进行定义。

Solid65单元最多可以定义3种不同的加固材料，即此单元允许同时拥有4种不同的材料。

混凝土材料具有开裂、压碎、塑性变形和蠕变的能力；加强材料则只能受拉压，不能承受剪切力。

图 1 Solid65单元１．２ 几点假设　（1）只允许在每个积分点正交的方向开裂；（2）积分点上出现裂缝之后，将通过调整材料属性来模拟开裂，裂缝的处理方式采用分布模型而非离散模型；（3）混凝土材料初始时是各向同性的；（4）除了开裂和压碎, 混凝土也会塑性变形, 常采Drucker- Prager屈服面模型模拟其塑性行为的应力应变关系。

在这种情况下, 一般在假设开裂和压碎之前，塑性变形已经完成。

１．３ Ｓｏｌｉｄ６５单元的应用　在实际应用中一般要为solid65单元提供以下数据：实参数，即设定Solid65单元在三维空间各个方向的钢筋材料编号、位置、角度和配筋率等；材料模型，设定混凝土和钢筋材料的弹性模量、泊松比、密度；数据表，给定钢筋和混凝土的本构关系和破坏准则。

关于单元几何图形、节点位置、单元坐标系请见图1。

单元性质为八节点各向同性材料，单元包括一种实体材料和三种钢筋材料，用命令MAT输入对混凝土材料的定义，而有关钢筋的细则需在实常数中定义，包括材料号、体积率、方向角(THETA, PHI)，钢筋的方向角可通过命令/Eshape以图示方式校验。

体积率是指钢筋的体积与整个单元体积的比，钢筋的方向通过单元坐标系中的两个角度（度制）来定义。

当钢筋的材料号为0或等于单元的材料号时则不考虑它的作用。

另外，有关混凝土的材料定义，如剪切传递系数，拉应力，压应力都应在数据表中给出，详细描述见表“Solid65混凝土材料数据表”。

通常剪力传递系数为0～1.0，0表示平滑的裂缝（完全丧失剪力传递作用），1表示粗糙的裂缝（几乎没有失去剪力传递作用）。

这就有利于对裂缝开裂与闭合进行描述。

有关单元荷载的描述见“节点单元荷载”（ANSYS 帮助中专有一节）。

压力作为面荷载作用在单元表面如“Solid65的几何模型图”中带圈数字所示。

主动力作用在单元内。

温度和影响可在节点上作为单元体荷载输入。

节点I的温度T（I）默认为TUNIF，如其它节点温度没有被指定，则它们默认为T（I）。

对于其它的输入模型未指定温度时默认值都为TUNIF。

对影响的设定除用0取代TUNIF外与温度的设定是相同的。

用命令TREF和BETAD分别用来设定整体的基准温度和阻尼值。

用MAT命令指定与单元相关的基准温度值（MP，REFT）或阻尼值（MP，DAMP），但不能对钢筋的材料号进行以上定义。

KEYOPT（1）用于设定是否考虑大变形，KEYOPT （5）和KEYOPT（6）则提供是多种单元输出选项（详见单元解答）。

KEYOPT(7)是与是否考虑应力松弛相关的项，当KEYOPT＝1时表示考虑，目的是加速裂缝即将开裂时计算的收敛（在混凝土材料数据表的第9个系数中的输入值即为拉伸应力松弛的折减系数）。

应力松弛并不能反应因为次生裂缝的产生而引起的应力应变关系的变化。

松弛系数在裂缝处为零，因此，相应的开裂面上的刚度也是零。

在几何非线性分析时可用“SOLCONTROL,,,INCP”命令设定考虑抗压刚度的影响。

抗压刚度的影响在线性屈曲分析中会被自动考虑。

2 混凝土与钢筋的组合整体式模型，直接利用Solid65提供的实参数建立钢筋模型；分离式模型，位移协调使用杆件单元模拟钢筋，混凝土和钢筋共用节点；分离式模型，界面单元在杆件单元和混凝土单元之间加入界面单元进行模拟。

在条件允许的情况下，优先使用整体式模型滑移影响可以通过折减钢筋弹性模量加以模拟，推荐折减量：65～80％；在类似节点受往复荷载作用的问题，由于滑移严重，必须使用界面单元；预应力考虑预应力损失，必须使用界面单元。

3 ANSYS建模中需要注意的问题３．１ 单元尺寸大小　基于最大开裂应力准则，单元越细，应力集中越严重，开裂出现越早。

解决方法：使用半脆性裂缝模型，减小单元尺寸影响；控制网格大小，单元尺寸不宜小于5cm；控制网格划分，在容易出现应力集中的部位要避免过小的单元出现。

３．２ 施加支座　支座是个非常严重的应力集中部位，尽量避免把约束直接施加在支座上。

图 2 常见的错误支座解决方法：加弹性垫块，利用圣维南原理减小应力集中；加大支座部位单元尺寸，减小应力集中。

３．３ 分离钢筋模型的问题　正确选择收敛准则： 位移收敛准则用无穷范数，力收敛准则用2范数；推荐使用位移收敛准则，特别是在出现应力软化或需要计算下降段的时候；误差控制一般可以在2～3％之间，在开裂前后应适当放宽收敛准则，破坏前后更需要放宽。

其他需要注意的问题还包括：单元网格控制，应尽量使用六面体单元，尽量减少四面体单元的出现；钢筋选择，尽量使用整体式钢筋模型，在使用分离钢筋模型的时候，注意单元尺寸大小。

4 算例４．１ 问题描述　某矩形截面钢筋混凝土板在中心处作用-2mm 的位移荷载，要求采用整体模型分析板的受力、变形、开裂等情况。

已知条件如下：材料特性：（1）混凝土弹性模量E=24GPa ，泊松比v=0.2，单轴抗拉强度t f =3.1125a MP ，裂缝张开传递系数0.35，裂缝闭合传递系数1，关闭压碎开关。

（2）钢筋为双线性随动硬化材料，弹性模量E=200GPa ，泊松比v=0.25，屈服应力0.2=360a MP σ，硬化斜率为20000，配筋率为0.01,沿长度方向和宽度方向放置钢筋。

截面尺寸：长1.0m ，宽1.0m ，高0.1m 。

建模假设：不考虑混泥土的压碎，为了使计算顺利收敛，在支座处增加刚性垫片。

４．２ 钢筋混凝土建模　４．２．１ 单元类型选取　本文对混凝土和支座结构采用实体单元进行分析，混凝土选用65号单元可以反映混凝土的开裂和压溃，支座采用45号单元，反映金属铜的材料属性。

４．２．２ 混凝土的破坏准则（５ｗ破坏准则）　Solid65单元采用Willam-Warnke 五参数准则，公式如下：0sFs f −≥ F——应力组合；s f ——混凝土单轴抗压强度；S——Willam-Warnke 破坏曲面 ４．２．３ 混凝土本构关系　本文采用理想弹性模型本构关系 ４．２．４ 模型建立　图 3 划分网格之后的模型和时间历程４．３．５ 计算结果及分析　图 4 第一主应力（S1）云图和Z向变形图从上述应力分析可知该结构混凝土的最大压应力为21.1MPa 大于C25混凝土的抗压强度设计值; 最大拉应力为2.7MPa大于混凝土抗拉强度设计值1.3MPa ，结构中会出现压溃或裂缝现象。

图 5 裂缝出现位置和积分点开裂状态3.3.5计算结果与分析对比图4、图5中可以看出: 应力云图和裂缝分布图基本能反映钢筋混凝土板剪切的受力特点, 当板中载荷最大位置的纵筋屈服后, 由于裂缝的开展, 压区混凝土的面积逐渐减小, 在载荷几乎不增加的情况下, 压区混凝土所受的正压力和剪应力还在不断增加,当应力达到混凝土强度极限时, 剪切破坏发生, 裂缝产生。

4.结束语一直以来，钢筋混凝土结构的分析主要靠实验和经验公式, 任何一种材料模型的建立都基于大量实验结果, 有限元分析也不例外, 材料本构方程以及钢筋与混凝土之间的粘结参数需要从实验中获得。

本文采用ANSYS建立钢筋混凝土板模型进行变形与破坏分析，计算结果证明，采用Solid65单元模拟钢筋混凝土结构是合理的，计算结果与实际情况基本相符，采用ANSYS 还可以分析混凝土结构的各种其它应力分布，这是采用一般材料力学计算公式难以做到的。

相比之下，用ANSYS进行结构分析更全面、更符合工程需要。

参考文献：[1] 刑静忠，李军.ANSYS对钢筋混凝土梁的非线性分析[J].煤炭工程，2006，（10）：27-29.[2] 李灿辉.ANSYS在钢筋混凝土非线性分析中的一个应用实例[j].水工与施工，2004，（5）:13-14.[3] 何政，欧进萍.钢筋混凝土结构非线性分析[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2006.10. [4] 李围，等。

ANSYS土木工程应用实例[M].北京：中国水利水电出版社，2007.。