基于ANSYS的钢筋混凝土建模研究

王小荣 丁剑平 姚 雪 杨全虎

（重庆科技学院，重庆 401331）

基于ANSYS的钢筋混凝土建模研究

王小荣 丁剑平 姚 雪 杨全虎

（重庆科技学院，重庆 401331）

介绍钢筋混凝土常见的几种有限元模型，并探讨如何在ANSYS中分别实现建模。对几种有限元模型的优劣和计算结果进行了比较。

钢筋混凝土；有限元；粘结力

大型有限元软件ANSYS用于分析高层建筑、体育场馆等体形复杂建筑的静力、动力、线性、非线性等响应特征时具有强大优势，可以很好地反映这些建筑物及其基础在各种复杂因素作用下的力学特征。

钢筋混凝土是土木行业中应用最广泛的工程材料，钢筋混凝土的分析是进行其他工程结构分析的基础。钢筋混凝土中涉及的材料种类很多，钢筋的布置也比较复杂，因此如何在ANSYS中实现钢筋混凝土的建模是进行有限元分析的重要任务。

1 钢筋混凝土结构有限元分析的几种模型

由于钢筋混凝土由两种不同材料组成，其性能明显依赖这两种材料及其组合性能，钢筋混凝土结构的有限元分析有与其他固体力学有限元分析所不同的特点。因此钢筋混凝土结构的有限元分析作为一个相对独立的研究领域，受到了土木工程界广泛的重视。自从1967年美国学者DNgo和ACScordelis最早把有限元分析方法用于分析钢筋混凝土简支梁以来，大量的学者都对钢筋混凝土结构有限元分析的实现做了研究。

目前基本公认的钢筋混凝土建模方法有分离式模型(discrete model)、分布式模型 (smeared model)和组合式模型(embedded model)。

1.1 分布式模型

分布式模型也称整体式模型，该模型将钢筋以一定角度分布于整个单元中，并认为二者粘结很好，视单元为连续均匀的材料。

1.2 分离式模型

分离式模型把钢筋和混凝土作为不同的单元处理，可以根据不同的单元类型进行组合。在该模型中可以插入联结单元考虑粘结和滑移。该模型是唯一可以考虑钢筋和混凝土之间的粘结特性的。因为钢筋混凝土存在裂缝，开裂必然导致钢筋和混凝土变形不协调，因此这种模型被广泛应用。

1.3 组合式模型

组合式模型也有称埋藏式模型，二者之间粘结很好，没有相对滑移，又分为分层组合式、带钢筋膜的单元等方式。 前者是在横截面上分成许多混凝土层和若干钢筋层，并对截面的应变做出某些假设，在钢筋混凝土板、壳结构中应用较广。

1.4 处理裂缝的模型

钢筋混凝土中裂缝问题的处理方式有离散裂缝模型、分布裂缝模型和断裂力学模型。断裂力学模型目前尚在研究之中，主要应用的是前两种。离散裂缝模型和分布裂缝模型各有特点，可根据不同的分析目的选择使用。随着计算速度和网格自动划分的快速实现，离散裂缝模型又有被推广使用的趋势。

2 ANSYS采用的有限元模型

当不考虑混凝土和钢筋二者之间的滑移时，三种模型都可以使用。分离式和整体式模型适用于二维和三维结构分析，后者对杆系结构分析比较适用。就ANSYS而言，可以考虑分离式模型——混凝土+钢筋，认为混凝土和钢筋粘结很好。如果考虑结合滑移，则可引入弹簧单元进行模拟，如果比较困难也可采用分布式模型。

在进入非线性状态后，钢筋混凝土的力学性能很大程度上依赖两者的粘接状况，可以考虑分离式模型和分布式模型。在分离式模型中，可以选择不同的单元划分方式，例如钢筋用体单元。

2.1 分布式模型在ANSYS中的实现

在大型有限元软件ANSYS中，Solid65单元是专为混凝土、岩石等抗压能力远大于抗拉能力的非均匀材料开发的单元，可以考虑混凝土的压碎和开裂。

Solid65单元为八节点六面体单元，Solid65单元本身包括两部分：一部分是和普通的八节点空间实体单元Solid65相同的实体单元模型；另一部分是由弥散钢筋组成的整体式模型，它可以在三维空间的不同方向分别设定钢筋的位置、角度及配筋率等参数。此单元模型在一般范围内可以较好地进行钢筋混凝土的非线性分析，包括对徐变等特性的考虑。

Solid65单元可以模拟混凝土中的加强筋（或玻璃纤维，型钢等），以及材料的拉裂和压溃现象。对于分布式模型，Solid65可以考虑三种钢筋材料，这种模型比较容易得到收敛的解。

Solid65单元包括一种实体材料和三种加固材料（一般为钢筋），可以用MAT命令定义混凝土材料常数，而加固材料的常数可以在实常数中定义，包括材料号、体积率、方向角（可以用命令/Eshape来查看检验）。体积率是指加固材料体积与整个单元体积的比值。增强材料的方向通过单元坐标系中的两个角度来定义。当加固材料的编号为0或等于单元的材料号时，将忽略加固材料的属性。

在ANSYS中采用分布式模型建模比较简单，主要分为以下几个步骤：（1）添加混凝土单元Solid65（Preprocessor＞Element Type＞Add/Edit/Delet）；（2）通过实参数来设置配筋情况 (Preprocessor＞Real Constants＞Add/Edit/Delet)；（3）定义混凝土材料属性（Preprocessor＞Material Props＞ Material Models）；（4）实体建模，采取直接建模或布尔运算。

2.2 分离式模型在ANSYS中的实现

定义Solid65单元混凝土材料常数时，将体积率等均输入0，则Solid65单元不含任何增强材料，成为素混凝土，因此可实现混凝土和钢筋等增强材料的分别建模，采用节点共享的方式建模，处理好钢筋与混凝土单元节点的位置。

实现分离式建模可采用自下向上实体建模和自上向下直接生成两种方法。

（1）实体建模。先建立整个钢筋混凝土的实体，然后利用ANSYS中的布尔操作 （Divid＞Volu by Workplane），根据钢筋混凝土中钢筋的布置进行几何切割，形成包括混凝土、纵向钢筋和箍筋等。也可在实体建模前，分析钢筋与混凝土形成的几何关系，划分成多个几何体，在建模时分别实体建模，然后将各个实体进行粘接（Glue）。

（2）直接生成。建立整个钢筋混凝土的实体，用Solid65单元（设置参数时，不含钢筋）进行控制网格化分，形成节点，然后根据钢筋位置，连接结点，形成钢筋的建模（LINK8单元）。

2.3 组合式模型在ANSYS中的实现

组合式模型介于分布式和分离式模型之间。组合式模型假定钢筋和混凝土两者之间的相互粘接很好，不会有相对滑移。最常用的组合式模型有两种方式：分层组合式；混凝土与钢筋复合单元。前者在杆系系统中应用较广。

（1）分层组合式。根据钢筋与混凝土的分布的几何关系，把钢筋混凝土模型从横向上分成许多混凝土条带和钢筋条带，分别建模。然后利用布尔操作进行粘接（Glue）。

（2）混凝土与钢筋复合单元。 由于在建立单元钢度矩阵时，不但要考虑混凝土材料的作用，而且要考虑钢筋的刚度贡献，这种模型尚不能在ANSYS中直接利用GUI直接生成。但ANSYS提供了良好的用户二次开发功能，利用自带APDL脚本、FORTRAN等语言可以开发用户自定义单元。

2.4 考虑钢筋与混凝土的粘结力

利用分离式模型，可以分析在非线性变形情况下钢筋与混凝土之间的粘接力。

（1）单元的选取。分离式常见模型是用LINK8与Solid65的组合方式，但当周围的混凝土开裂或是压碎时，Solid65将不能对LINK8的节点提供足够地约束，从而导致总刚矩阵小主元地出现影响计算精度，或者干脆形成瞬变体系导致计算提前发散。此时应采取Solid65和梁单元模型（建议用BEAM18），这样用梁单元模拟暗钢筋，就算包裹钢筋的混凝土破坏了，钢筋单元本身仍可对连接点提供一定的侧向刚度（其实钢筋本身就是有一定抗弯刚度的），保证计算进行下去。

（2）粘结力的模拟 。在ANSYS中要模拟钢筋与混凝土之间的粘结力，可以采用两种方法：一是连接钢筋与混凝土有限元模型中的相邻节点，建立新的粘结单元，包括双弹簧单元和平面四边形单元。二是利用有限元中的耦合技术，连接钢筋与混凝土的相邻节点设置位移进行耦合。

2.5 钢筋混凝土裂缝的考虑

在ANSYS中，对于裂缝的处理采用的是分布式裂缝模型。

钢筋混凝土裂纹的建模，只要画出裂纹的上下表面（线）就可以了，即使是两个面（线）重合也一定要是两个面（线）。如果考虑到对称模型则较容易，裂纹尖点左面用一个面 （线），右边用另外一个面（线），加上对称边界约束。

裂尖点附近网格的划分。ANSYS提供了一个kscon的命令，主要是使得crack tip的第一层单元变成奇异单元，用来模拟断裂奇异性(singularity)。

3 结 语

钢筋混凝土有限元建模的方法与结果评价（前后处理），是对钢筋混凝土结构进行数值模拟的重要步骤，能否把握模型的可行性、合理性，如何从计算结果中寻找规律，是有限元理论应用于实际工程的关键一环。

分布式模型是通过Solid65的实常数指定钢筋配筋率，采用这种模型并计算出来的结果与实际结果偏差较大。

分离式模型需要把钢筋与混凝土单元分别建模，工作量大，需要频繁使用布尔运算或者充分、灵活地运用APDL的技巧，处理好钢筋与混凝土单元节点的位置。但计算出来的结果与实际情况比较吻合，又可以考虑处于非线性状态下钢筋与混凝土之间的粘接力，且分离式模型的信息量大，后处理方便。

组合式模型在ANSYS中实现起来比较困难，需要用户熟悉编程，对有限元理论有相当深入的了解。

[1]吕西林，金国芳，吴晓涵.钢筋混凝土结构非线性有限元理论与应用[M].上海：同济大学出版社，1997.

[2]郝文化，叶裕明，刘春山,等.ANSYS土木工程应用实例[M].北京：中国水利水电出版社，2005.

[3]程文镶，严德恒，江见鲸,等.混凝土结构[M].北京：中国建筑工业出版社，2002.

Abstract：The paper introduces common finite element models of reinforced concrete,and discusses how to realize especially modeling based on ANSYS.It also compares advantages,disadvantages and results of different finite element models.

Key words：reinforced concrete；finite element；cohesive force

Modeling Research of Reinforced Concrete Based on ANSYS

WANG Xiao-rongDING Jian-pingYAO XueYANG Quan-hu
(Chongqing University of Science and Technology，Chongqing 401331)

TU205

A

1673-1980（2011）03-0144-03

2010-11-03

王小荣（1973-），男，四川渠县人，硕士，副教授，高级工程师，研究方向为计算力学、建筑结构和市政工程。