基于ANSYS的钢筋混凝土框架结构整体式建模分析

侯建华 王 志 陆 冰

1郑州大学力学与工程科学学院（450001）2河南建筑材料研究设计院有限责任公司（450002）

0 前言

ANSYS有限元分析软件具有功能极为强大的前后处理及计算分析能力，能够模拟结构等多种物理场间的耦合效应，可以实现对结构的全过程仿真和全过程分析。但ANSYS中提供的材料模型大多数为基于经典材料力学理论的均质材料模型与混凝土的本构关系有很大区别。借助ANSYS对钢筋混凝土这种复杂材料的结构进行分析时，需要针对分析对象的结构层次、分析类型、荷载水平等合理采取单元类型和材料模型，才能够取得满意的分析结果[1]。

钢筋混凝土框架结构是一般工业建筑主厂房和多层民用建筑的承重结构体系，长期以来传统的设计方法是用平面杆系的线弹性理论来研究钢筋混凝土结构的应力或内力。随着钢筋混凝土有限元分析不断发展、完善，它成为研究混凝土结构性能的有力工具，可以对结构自开始受荷载直到破坏的全过程进行分析，获得不同阶段的受力性能。ANSYS软件是当今国际主流的有限元分析工具，它有众多的单元可供选择，以及非常完备的前处理和后处理功能。ANSYS在钢筋混凝土分析中的应用使工程师们得以从繁琐的程序编制中解脱而实现其应用的目的。

1 办公楼建模有限元分析

某两层框架结构,层高3 m，开间和进深均为5 m，框架柱截面为500 mm×500 mm，梁截面为500 mm×600 mm。结构全部采用钢筋混凝土结构。混凝土材料为C30，钢筋为HRB335级。其中柱配4φ26的HRB335级纵筋，箍筋直径d=8 mm，梁配4φ28的HRB335级纵筋。梁与柱的配筋见图1。

采用整体式建模方法，钢筋混凝土采用Solid65单元及ANSYS自带的Concret材料模型,该模型可以反映混凝土压溃和开裂特性。Solid65单元为八节点六面体单元,通过定义三个方向的配筋率考虑三个方向的钢筋情况。混凝土材料可通过选取非线性模型考虑塑性变形和徐变。Concrete材料模型的基本参数有开裂截面和裂缝闭合截面的剪切传递参数,单轴和多轴的抗拉、抗压强度等。这种模型比较容易得到收敛的解。具体网格划分见图2。

图1 结构配筋图

钢筋本构关系采用双线性随动强化模型(Bi-linear Kinematic,BKIN)，如图3。混凝土采用多线性随动强化模型(Multilinear Kinematic,MKIN)如图4。混凝土开裂前，采用Druck-Prager屈服面模型模拟塑性行为,开裂失效准则采用William-Warnke五参数强度模型，裂缝采用分布模型[2-3]。

图2 网格划分

图3 双线性随动强化模型

图4 多线性随动强化模型

2 计算结果及整体分析

计算得到结构最终位移、应力如图5～6所示。可见，在重力作用下，应力最大值为0.70 MPa，最大位移为0.167×10-3m,符合试验要求及结构安全,约束位置处容易发生较大变形。梁在受力处发生较大变形，但在钢筋存在时发挥了其抗拉的特性，保护了混凝土，阻止其破裂。应力应变云图均符合钢筋混凝土框架结构的受力特点。不断加大外力荷载，观察位移荷载曲线如图7所示。

图5 Y方向的位移

图6 Y方向的应力

图7 混凝土的位移荷载曲线

3 结论

综上所述，通过框架结构的整体建模分析,得到了以下结论：

1）采用整体式混凝土结构建模方法，能够准确反应结构细部的受力特性，对于复杂、庞大的结构,以及需要对裂隙进行观察等复杂计算的结构来说，更能得到可靠结果。

2）在重力作用下，该框架结构的应力最大值为0.70 MPa,远小于结构的破坏应力,最大位移为0.167×10-3m，符合试验要求及结构安全,在梁柱结合部位处容易发生较大变形，应适当加密箍筋。

[1]郝文化.ANSYS土木工程应用实例[M].北京：中国水利水电出版社，2005：105～113.

[2]陆新征.混凝土结构非线性有限元分析[M].西安：陕西科学出版社，1994.

[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.