鋼筋混凝土非線性有限元分析在結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用

張子文/華北理工大學(xué)

鋼筋混凝土非線性有限元分析在結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用

張子文/華北理工大學(xué)

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)由混凝土與鋼筋兩種材料組合而成。對于鋼筋混凝土的各種性能通過實驗可以進行很好的探索；但是，現(xiàn)實生活中往往由于人力財力的限制，導(dǎo)致不能對構(gòu)件進行充分的實驗探究，尤其是有些性能需要進行大量的重復(fù)性試驗。這時就需要進行計算機軟件進行模擬。非線性是鋼筋混凝土一個非常重要的受力特征，運用計算機有限元分析方法可以對鋼筋混凝土非線性問題進行很好的研究。

有限元分析；鋼筋混凝土；非線性

一、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)材料特性與非線性有限元分析的意義

上文提到，鋼筋混凝土是由鋼筋和混凝土兩種材料組合而成的。兩種材料共同作用，之間具有很復(fù)雜的本構(gòu)關(guān)系。而且在實際工程中，很多時候構(gòu)件并非完好無損，而是在裂縫狀態(tài)下工作。隨著時間推移，裂縫處會發(fā)生變化。因此分析一個構(gòu)件從加載到破壞是十分復(fù)雜的過程。

實驗是對鋼筋混凝土進行受力分析的最好方法，這也是對自然學(xué)科進行探究的必然過程。但是，現(xiàn)實生活中往往由于科學(xué)技術(shù)的限制，試驗場地的限制以及財力等種種因素的制約導(dǎo)致我們無法進行實驗研究。

同時，鋼筋混凝土構(gòu)件的復(fù)雜性決定了其受力特點為非線性的，分析非線性問題就需要先進的數(shù)值處理方法。

結(jié)合以上種種因素，需要一種分析方法既能夠有效節(jié)約實驗成本，又可以高度模擬實驗過程，即從加載到破壞的過程。

有限元分析方法的實質(zhì)是將一個整體結(jié)構(gòu)計算模型離散為由許多微小結(jié)構(gòu)單元組成的模型。有限元“化整為零”的分析方法可以有效地對鋼筋混凝土非線性問題進行分析。有限元法具有十分強大的數(shù)值分析能力。其在鋼筋混凝土構(gòu)件分析中具有以下優(yōu)點：

1.可以分別在模型中反映鋼筋和混凝土和非線性；可以提供許多結(jié)構(gòu)信息，比如節(jié)點位移，混凝土受壓區(qū)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系等等；

2.十分有效地模擬構(gòu)件從加載到破壞的全過程；

3.可以代替一部分試驗研究，并通過模擬分析對試驗研究進行改進；

4.可以模擬分析普通試驗無法完成的大型復(fù)雜構(gòu)件。

具備了以上幾點，非線性有限元法在鋼筋混凝土分析中具有十分大的優(yōu)勢。

二、有限元軟件介紹

有限元分析方法的發(fā)展離不開計算機軟件的支持，目前在鋼筋混凝土領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛的軟件有ABAQUS，ADINA，ANSYS等等。以下對這三種方法進行以下介紹。

（一）ABAQUS

此軟件是一套功能十分強大的有限元模擬分析軟件，可以分析十分復(fù)雜的構(gòu)件，模擬高度非線性問題。ABAQUS被廣泛地認為是功能最強的有限元軟件，從單一的零件到組成復(fù)雜的構(gòu)件都可以進行有效模擬。ABAQUS軟件還可以做系統(tǒng)級的分析研究。

其功能有靜態(tài)應(yīng)力位移分析，動態(tài)分析，熱傳導(dǎo)分析，質(zhì)量擴散分析，耦合分析，非線性動態(tài)應(yīng)力位移分析等等。

（二）ADINA

此軟件從出現(xiàn)至今已近半個世紀，誕生于70世紀，在80世紀中葉以前是全球最流行的有限元分析程序[7]。ADINA的名稱是Automatic Dynamic Incremental Nonlinear Analysis的首字母縮寫。

ADINA是一款以力學(xué)和有限元理論為基礎(chǔ)的計算軟件，可用于固體、結(jié)構(gòu)、流體以及結(jié)構(gòu)相互作用的流體流動的復(fù)雜有限元分析。

ADINA軟件具有以下特點：

1.表示模型的幾何圖形可以從CAD中直接導(dǎo)入；

2.構(gòu)件的物理特性、載荷和邊界條件可直接分配到模型的幾何圖形上；

3.普通幾何圖形上可使用全自動網(wǎng)格生成。

ADINA具備多種便于操作的特性，已成為近年來發(fā)展最快的有限元軟件。

（三）ANSYS

ANSYS是由美國人研發(fā)的一款大型通用有限元分析軟件。

此有限元分析軟件可以用來分析多種領(lǐng)域里的有限元問題。軟件可以提供100種以上的單元類型，用于模擬各種工程結(jié)構(gòu)。

ANSYS由三部分組成：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。

三、鋼筋混凝土本構(gòu)關(guān)系確立的意義

鋼筋和混凝土的本構(gòu)關(guān)系是非線性有限元分析的關(guān)鍵問題。只有選取了合適的本構(gòu)關(guān)系，才能夠建立合理的有限元模型。該模型才可以正確地模擬從構(gòu)件加載到破壞的全過程。

混凝土的本構(gòu)模型有線彈性模型、非線性模型、彈塑性模型等。以下對幾種線彈性模型做一下介紹。

線彈性模型是最基本的力學(xué)模型。線彈性模型中的材料在加載過程中應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈線性，卸載后沒有殘余應(yīng)變。完全符合彈性特征。線彈性模型是當今發(fā)展最完善的材料本構(gòu)模型。

非線性模型即與線彈性相反，應(yīng)力應(yīng)變并非呈線性關(guān)系。分析起來也較為復(fù)雜，因此便需要用到本文所表述的有限元分析方法。非線性彈性本構(gòu)模型能夠反映混凝土受力變形的主要特點。

彈塑性模型用于反映材料的塑性變形。該模型可以較好地描述混凝土應(yīng)力—應(yīng)變下降段（軟化）曲線。適用于混凝土從彈性階段進入塑性階段的分析。

四、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有限元模型

鋼筋混凝土有限元模型根據(jù)鋼筋的處理方式主要分為三種，即分離式、整體式和組合式模型。

分離式模型是將混凝土和鋼筋分開處理，各自拆分成微小的結(jié)構(gòu)單元。整體式將兩者當做一個整體進行建模，假定鋼筋與混凝土粘結(jié)良好。組合式模型也是假設(shè)鋼筋與混凝土之間粘結(jié)良好，鋼筋以一個確定的角度在整個單元中。

在ANSYS等軟件進行鋼筋混凝土有限元分析時，經(jīng)常用到分離式模型，即將混凝土與鋼筋分開，分別建立模型進行模擬分析。

五、結(jié)論

鋼筋混凝土在全世界范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)工程中應(yīng)用都十分廣泛。因為鋼筋與混凝土由兩種材料粘結(jié)而成，因此構(gòu)件分析起來十分復(fù)雜。在以往的研究中，人們往往需要耗費大量的人力物力財力來進行試驗；而且得到的結(jié)果也不是十分的精確可靠。有限元法的出現(xiàn)極大程度上改善了這種狀況，通過計算機軟件分析就可以有效模擬試驗，進而得出比較可靠的計算結(jié)果。這也是ANSYS、ABAQUS、ADINA等有限元軟件在現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)計中十分流行的原因，應(yīng)用十分廣泛。

[1]李景涌主編，有限元法，北京郵電大學(xué)出版社，北京，1999.

[2]江見鯨.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)非線性有限元分析[M].陜西科學(xué)技術(shù)出本社，1994.

[3]康清梁.鋼筋混凝土有限元分析[M].中國水利水電出版社，1996.

[4]宋玉普等.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)分析中的有限元法[J].大連理工大學(xué)出版社，1994.

[5]龍馭球.新型有限元引論.清華大學(xué)出版社，1992.

[6]黃義.彈性力學(xué)基礎(chǔ)及有限單元法.冶金工業(yè)出版社，1986.

[7]黃吉鋒.用于轉(zhuǎn)換層計算的帶轉(zhuǎn)角自由度三維元.工程力學(xué)，1998年增刊.

[8]黃吉峰.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)非線性有限元分析及有限單元構(gòu)造方法的研究[D].中國建筑科學(xué)研究院博士論文，2001-06-01.

[9]李博寧.面向?qū)ο蟮匿摻罨炷两Y(jié)構(gòu)非線性有限元分析.大連理工大學(xué).2003.03.

[10]朱伯龍.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)非線性分析[M].上海：同濟大學(xué)出版社，1996.