基于ANSYS的鋼筋混凝土框架結構整體式建模分析

侯建華 王 志 陸 冰

1鄭州大學力學與工程科學學院（450001）2河南建筑材料研究設計院有限責任公司（450002）

0 前言

ANSYS有限元分析軟件具有功能極為強大的前后處理及計算分析能力，能夠模擬結構等多種物理場間的耦合效應，可以實現對結構的全過程仿真和全過程分析。但ANSYS中提供的材料模型大多數為基于經典材料力學理論的均質材料模型與混凝土的本構關系有很大區別。借助ANSYS對鋼筋混凝土這種復雜材料的結構進行分析時，需要針對分析對象的結構層次、分析類型、荷載水平等合理采取單元類型和材料模型，才能夠取得滿意的分析結果[1]。

鋼筋混凝土框架結構是一般工業建筑主廠房和多層民用建筑的承重結構體系，長期以來傳統的設計方法是用平面桿系的線彈性理論來研究鋼筋混凝土結構的應力或內力。隨著鋼筋混凝土有限元分析不斷發展、完善，它成為研究混凝土結構性能的有力工具，可以對結構自開始受荷載直到破壞的全過程進行分析，獲得不同階段的受力性能。ANSYS軟件是當今國際主流的有限元分析工具，它有眾多的單元可供選擇，以及非常完備的前處理和后處理功能。ANSYS在鋼筋混凝土分析中的應用使工程師們得以從繁瑣的程序編制中解脫而實現其應用的目的。

1 辦公樓建模有限元分析

某兩層框架結構,層高3 m，開間和進深均為5 m，框架柱截面為500 mm×500 mm，梁截面為500 mm×600 mm。結構全部采用鋼筋混凝土結構。混凝土材料為C30，鋼筋為HRB335級。其中柱配4φ26的HRB335級縱筋，箍筋直徑d=8 mm，梁配4φ28的HRB335級縱筋。梁與柱的配筋見圖1。

采用整體式建模方法，鋼筋混凝土采用Solid65單元及ANSYS自帶的Concret材料模型,該模型可以反映混凝土壓潰和開裂特性。Solid65單元為八節點六面體單元,通過定義三個方向的配筋率考慮三個方向的鋼筋情況。混凝土材料可通過選取非線性模型考慮塑性變形和徐變。Concrete材料模型的基本參數有開裂截面和裂縫閉合截面的剪切傳遞參數,單軸和多軸的抗拉、抗壓強度等。這種模型比較容易得到收斂的解。具體網格劃分見圖2。

圖1 結構配筋圖

鋼筋本構關系采用雙線性隨動強化模型(Bi-linear Kinematic,BKIN)，如圖3。混凝土采用多線性隨動強化模型(Multilinear Kinematic,MKIN)如圖4。混凝土開裂前，采用Druck-Prager屈服面模型模擬塑性行為,開裂失效準則采用William-Warnke五參數強度模型，裂縫采用分布模型[2-3]。

圖2 網格劃分

圖3 雙線性隨動強化模型

圖4 多線性隨動強化模型

2 計算結果及整體分析

計算得到結構最終位移、應力如圖5～6所示。可見，在重力作用下，應力最大值為0.70 MPa，最大位移為0.167×10-3m,符合試驗要求及結構安全,約束位置處容易發生較大變形。梁在受力處發生較大變形，但在鋼筋存在時發揮了其抗拉的特性，保護了混凝土，阻止其破裂。應力應變云圖均符合鋼筋混凝土框架結構的受力特點。不斷加大外力荷載，觀察位移荷載曲線如圖7所示。

圖5 Y方向的位移

圖6 Y方向的應力

圖7 混凝土的位移荷載曲線

3 結論

綜上所述，通過框架結構的整體建模分析,得到了以下結論：

1）采用整體式混凝土結構建模方法，能夠準確反應結構細部的受力特性，對于復雜、龐大的結構,以及需要對裂隙進行觀察等復雜計算的結構來說，更能得到可靠結果。

2）在重力作用下，該框架結構的應力最大值為0.70 MPa,遠小于結構的破壞應力,最大位移為0.167×10-3m，符合試驗要求及結構安全,在梁柱結合部位處容易發生較大變形，應適當加密箍筋。

[1]郝文化.ANSYS土木工程應用實例[M].北京：中國水利水電出版社，2005：105～113.

[2]陸新征.混凝土結構非線性有限元分析[M].西安：陜西科學出版社，1994.

[3]何政，歐進萍.鋼筋混凝土結構非線性分析[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2006.10.