基于ANSYS的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)整體式建模分析

侯建華 王 志 陸 冰

1鄭州大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院（450001）2河南建筑材料研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司（450002）

0 前言

ANSYS有限元分析軟件具有功能極為強(qiáng)大的前后處理及計(jì)算分析能力，能夠模擬結(jié)構(gòu)等多種物理場間的耦合效應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)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(shù)為基于經(jīng)典材料力學(xué)理論的均質(zhì)材料模型與混凝土的本構(gòu)關(guān)系有很大區(qū)別。借助ANSYS對鋼筋混凝土這種復(fù)雜材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí)，需要針對分析對象的結(jié)構(gòu)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(jié)果[1]。

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)是一般工業(yè)建筑主廠房和多層民用建筑的承重結(jié)構(gòu)體系，長期以來傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是用平面桿系的線彈性理論來研究鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力或內(nèi)力。隨著鋼筋混凝土有限元分析不斷發(fā)展、完善，它成為研究混凝土結(jié)構(gòu)性能的有力工具，可以對結(jié)構(gòu)自開始受荷載直到破壞的全過程進(jìn)行分析，獲得不同階段的受力性能。ANSYS軟件是當(dāng)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(yīng)用使工程師們得以從繁瑣的程序編制中解脫而實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用的目的。

1 辦公樓建模有限元分析

某兩層框架結(jié)構(gòu),層高3 m，開間和進(jìn)深均為5 m，框架柱截面為500 mm×500 mm，梁截面為500 mm×600 mm。結(jié)構(gòu)全部采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)?；炷敛牧蠟镃30，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(jié)點(diǎn)六面體單元,通過定義三個(gè)方向的配筋率考慮三個(gè)方向的鋼筋情況?；炷敛牧峡赏ㄟ^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(shù)有開裂截面和裂縫閉合截面的剪切傳遞參數(shù),單軸和多軸的抗拉、抗壓強(qiáng)度等。這種模型比較容易得到收斂的解。具體網(wǎng)格劃分見圖2。

圖1 結(jié)構(gòu)配筋圖

鋼筋本構(gòu)關(guān)系采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型(Bi-linear Kinematic,BKIN)，如圖3?；炷敛捎枚嗑€性隨動(dòng)強(qiáng)化模型(Multilinear Kinematic,MKIN)如圖4?；炷灵_裂前，采用Druck-Prager屈服面模型模擬塑性行為,開裂失效準(zhǔn)則采用William-Warnke五參數(shù)強(qiáng)度模型，裂縫采用分布模型[2-3]。

圖2 網(wǎng)格劃分

圖3 雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型

圖4 多線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型

2 計(jì)算結(jié)果及整體分析

計(jì)算得到結(jié)構(gòu)最終位移、應(yīng)力如圖5～6所示?？梢姡谥亓ψ饔孟?，應(yīng)力最大值為0.70 MPa，最大位移為0.167×10-3m,符合試驗(yàn)要求及結(jié)構(gòu)安全,約束位置處容易發(fā)生較大變形。梁在受力處發(fā)生較大變形，但在鋼筋存在時(shí)發(fā)揮了其抗拉的特性，保護(hù)了混凝土，阻止其破裂。應(yīng)力應(yīng)變云圖均符合鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)。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(yīng)力

圖7 混凝土的位移荷載曲線

3 結(jié)論

綜上所述，通過框架結(jié)構(gòu)的整體建模分析,得到了以下結(jié)論：

1）采用整體式混凝土結(jié)構(gòu)建模方法，能夠準(zhǔn)確反應(yīng)結(jié)構(gòu)細(xì)部的受力特性，對于復(fù)雜、龐大的結(jié)構(gòu),以及需要對裂隙進(jìn)行觀察等復(fù)雜計(jì)算的結(jié)構(gòu)來說，更能得到可靠結(jié)果。

2）在重力作用下，該框架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力最大值為0.70 MPa,遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)的破壞應(yīng)力,最大位移為0.167×10-3m，符合試驗(yàn)要求及結(jié)構(gòu)安全,在梁柱結(jié)合部位處容易發(fā)生較大變形，應(yīng)適當(dāng)加密箍筋。

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

[2]陸新征.混凝土結(jié)構(gòu)非線性有限元分析[M].西安：陜西科學(xué)出版社，1994.

[3]何政，歐進(jìn)萍.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)非線性分析[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2006.10.