（华北理工大学 河北 唐山 063000）
摘要：在国内外的土木工程中，钢筋混凝土结构因具有普遍性、可靠性良好 、操作简单等优点，而得到了广泛的应用。钢筋混凝土结构是钢筋与混凝土两种性质截然不同的材料组合而成，由于其组合材料的性质较为复杂，同时存在非线性与几何线形的特征，应用传统的解析方法进行材料的分析与描述在受力复杂、外形复杂等情况下较为困难，往往不能得到准确的数据，给工程安全带来隐患。而有限元分析方法则充分利用现代电子计算机技术，借助有限元模型有效解决了各种实际问题。
关键词：有限元分析；钢筋混凝土结构；应用
引言
实际工程中的钢筋混凝土梁，受力性能都是非线性。钢筋混凝土梁在轴力、剪力和弯矩的共同作用下，受力性能过程都可以采用非线性方法进行理论分析求得，而获得截面弯矩 -曲率（M- 1/ρ）关系全曲线，截面应力等，此即可确定梁的开裂弯矩Mcr、屈服弯矩 My和极限状态时的特征弯矩 Mu以及相应的曲率值，积分法或数值计算法分析构件的变形等性能指标。采用有限元分析方法对实际工程中的梁进行非线性分析，对其性能进行评价，实际工程具有一定意义。
一、有限元分析发展历史
国际上早在60年代初就开始投入大量人力和物力开发有限元分析程序，但真正的CAE软件诞生于70年代初期，而近15年则是CAE软件商品化的发展阶段，CAE开发商为满足市场需求和适应计算机硬、软件技术的迅速发展，这就使得目前市场上知名的CAE软件，在功能、性能、易用性﹑可靠性以及对运行环境的适应性方面，基本上满足了用户的当前需求，从而帮助用户解决了成千上万个工程实际问题，同时也为科学技术的发展和工程应用做出了不可磨灭的贡献。目前流行的CAE分析软件主要有NASTRAN、ADINA、COSMOS等。MSC-NASTRAN软件因为和NASA的特殊关系，在航空航天领域有着很高的地位，它以最早期的主要用于航空航天方面的线性有限元分析系统为基础，兼并了PDA公司的PATRAN，又在以冲击、接触为特长的DYNA3D的基础上组织开发了DYTRAN.近来又兼并了非线性分析软件MARC，成为目前世界上规模最大的有限元分析系统。ANSYS软件致力于耦合场的分析计算，能够进行结构、流体、热、电磁四种场的计算，已博得了世界上数千家用户的钟爱。ADINA非线性有限元分析软件由著名的有限元专家、麻省理工学院的K.J.Bathe教授领导开发，其单一系统即可进行结构、流体、热的耦合计算。并同时具有隐式和显式两种时间积分算法。由于其在非线性求解、流固耦合分析等方面的强大功能，迅速成为有限元分析软件的后起之秀，现已成为非线性分析计算的首选软件。
二、钢筋混凝土结构非线性有限元分析的基本理论
钢筋混凝土结构是目前结构工程中最主要的结构形式。钢筋混凝土是由两种不同的材料——混凝土和钢筋组合而成,其性能明显地依赖于这两种材料的性能,特别是在非线性阶段,混凝土和钢筋的各种非线性性能,都不同程度地在这种组合材料中反映出来,使得计算较为复杂。目前大型商用软件在钢筋混凝土结构计算方面已有不少进展,然而,作为通用软件不免在某些特定专业领域中有所欠缺。譬如ANSYS软件的SOLID65单元采用了整体式的有限元模型,但是,对于二维问题,ANSYS没有提供合适的单元。ANSYS采用的William Warnke强度准则可用于三维问题,但是通常使用三维强度准则计算二维问题效果不好,因为在建立三维强度准则时,式中参数的标定必须照顾到很广泛的三轴应力范围,计算式用于二轴应力状态,其精度反而受损失。所以,单独建立混凝土的二轴强度准则(包络线)更为合理,使用也方便得多。另外,商用软件的价格昂贵,采用三维单元和三维的强度准则进行计算耗时巨大,且随着单元数的增加,计算时间加长,同时三维问题的建模比二维问题复杂。由于实际工程中存在着大量的二维结构,许多三维结构还常简化为二维应力状态进行分析和设计,实际计算时不必动用复杂的三维单元和繁琐的三维强度准则,因此有必要对二维问题的钢筋混凝土结构进行有限元程序设计。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆此外,目前对于高强混凝土结构的开裂机理和破坏规律的研究尚处在初步阶段,本文对高强度混凝土梁的开裂和破坏特征进行分析研究,并与普通混凝土梁的特性作了比较,得出了混凝土标号与梁的开裂荷载和极限承载力的关系。
三、非线性有限元分析在预应力钢筋混凝土梁中的应用
预应力混凝土结构自1928年法国学者弗来西奈Freyssinet研究成功后经过数十年的研究开发与推广应用取得了很大进展。大量的国内外建筑土木工程实践充分证实了预应力混凝土改善了钢筋混凝土结构的抗裂性能，提高了结构的刚度是当代工程建设中的一种高新结构技术。由于它是由钢筋和混凝土两种材料成分组成，在荷载作用下的结构反应是相当复杂的传统的基于大量试验资料的结构力学的结构设计方法很难计算出其结构反应。
随着计算机技术的发展应用于有限元分析的软件如NSTRA、MACRO、SAP、ANSYS等也得到了广泛应用。其中ANSYS软件就是一个国际流行的融结构、热、流体、声学于一体的大型通用有限元软件。它能较准确、方便的进行预应力钢筋混凝土有限元分析。但也由于预应力钢筋混凝土是由钢筋和混凝土两种材料性质和力学性质差别很大的成分组成。尤其是混凝土在力的作用下会表现出明显的非线性。因此其有限元分析的基本前提是要建立钢筋和混凝土的本构关系。在此基础上必须合理选取单元模型用于模拟预应力钢筋和混凝土材料。而这两种材料的破坏准则和收敛准则的合理选择则直接影响着计算结果的正确性和可靠性。
目前用ANSYS对预应力钢筋混凝土梁结构的有限元分析模型主要有3种:分离式、整体式、组合式。分离式模型把混凝土和钢筋各自划分为足够小的单元。若钢筋和混凝土之间黏结很好两者之间不会发生相对滑移，则两者之间可视为刚性联结，这时也可不用联结单元。这种模型在分析钢筋和混凝土之间相互作用的微观机理方面有突出优势。本文采用分离式模型用ANSYS对预应力钢筋混凝土梁和非预应力条件下的该梁进行非线性有限元分析。
四、钢筋混凝土结构非线性有限元分析中需要注意的问题
（一）混凝土本构模型需要注意的问题
1.线弹性类本构模型的创建中，作为一种最为简单、基本的混凝土材料本构模型，其变形在加载与卸载时会沿着同一直线变化，完全卸载后不会出现残余变形的现象，所以，应力与应变必须确定相应的关系，比值表示材料弹性常数，必须进行周密的分析与计算。
2.非线弹性本构模型的创建中，应注意到随着应力的不断加大，变形将按照一定的规律非线性增长，刚度也会随之逐渐减小。在卸载过程中，应变会沿着原曲线返回，不会出现残余应变的现象。在非线弹性本构模型的应用中，应注意结合混凝土材料受力变形的特点，而各种计算公式与参数值则来自试验数据的回归分析，所以，在实际应用中必须注重试验数据的科学采集与周密计算，从而保证模型创建的效率与质量。
（二）不同黏结单元模型
目前，国内工程技术人员提出了不同的黏结单元模型，例如：黏结斜杆单元、双弹簧黏结单元、斜弹簧单元、无厚度4节点（6节点）黏结单元等。但是在黏结、滑移关系的研究方面，分析初期仍然是采用线性关系，逐步发展为非线性关系，应结合有限元分析的特点与优势，逐步总结出一种具有代表性的应力应变曲线表达式，减少外界因素的影响和限制，进而开发出适合实际情况的计算机模式。
参考文献：
[1] 江见鲸.钢筋混凝土结构非线性有限元分析[M].西安:陕西科学技术出版社,1998.
[2] Bazant Z P.钢筋混凝土有限元分析[M].周氏译.南京:河海大学出版社,1988.
[3]王新敏.AN SYS 工程结构数值分析[M].人民交通出版社,2007.
作者简介：赵岩松（1993-），男，汉，籍贯：黑龙江铁力市，硕士在读，单位：华北理工大学，研究方向：结构工程。
论文作者:赵岩松
论文发表刊物:《新材料·新装饰》2018年7月上
论文发表时间:2019/1/11
标签：钢筋论文; 有限元论文; 混凝土论文; 钢筋混凝土论文; 结构论文; 模型论文; 预应力论文; 《新材料·新装饰》2018年7月上论文;