钢筋混凝土结构有限元分析单元类型

钢筋混凝土结构有限元分析单元类型

通常钢筋混凝土结构有限元分析单元分为两个层次：杆系单元和实体单元。前者着重分析单元力（包括力和弯矩）与位移（包括位移和转角）之间的关系，而后者着重分析单元的应力—应变关系。单元类型的选取应兼顾计算规模、材料模型的精度等多方面的因素。对于全结构规模较大，可将结构离散成杆系单元进行分析。对于复杂区域（梁柱节点）或重要的构件等可将杆系结构体系计算的力和位移施加到实体单元模型上，分析局部应力和应变。在结构分析中应尽可能多地采用三维实体单元模型，力求最大程度的真实模拟实际结构构件。

1.钢筋混凝土结构有限元分析中的模型

钢筋混凝土结构不同于一般均质材料，它是由钢筋和混凝土两种材料构成的，一般钢筋是被包围在混凝土之中，而且相对体积较少，因此建立结构有限元模型需考虑这些特性。构成钢筋混凝土结构的有限元模型主要有以下三类：

1.1分离式模型

分离式模型把混凝土和钢筋作为不同的单元来处理，即混凝土和钢筋各自被划分为足够小的单元。考虑到钢筋是一种细长材料，通常可忽略其横向抗剪强度。这样，可以将钢筋作为线形单元处理（如ANSYS中的link8单元）。混凝土可采用四面体单元等实体单元（如ANSYS中的solid65单元）。在该模型中，钢筋和混凝土之间可以插入联结单元来模拟钢筋和混凝土之间的粘结和滑移，若钢筋和混凝土之间的粘结很好，不会有相对滑移，则可视为刚性联结，可以不考虑联结单元问题。众所周知，钢筋混凝土是存在裂缝的(否则钢筋难以发挥作用)，而开裂必然导致钢筋和混凝土变形不协调，也就是说必然存在粘结失效和滑移的产生，因此这种模型被广泛的应用。单元刚度矩阵的推导与一般有限元相同。

1.2组合式模型

组合式模型是假设钢筋以一个确定的角度分布在整个单元中，并假设混凝土与钢筋之间存在着良好的粘结，认为两者之间无滑移。又分为分层组合方式和带钢筋膜的方式等。该单元刚度矩阵推导时分别求出各自的单元刚度，然后组合起来。

1.3整体式模型

整体式模型是假设钢筋分布于整个单元中，并把单元视为连续均匀材料（如ANSYS中的四面体等实体单元-solid65单元选择混凝土材料时），采用混凝土-钢筋复合的本构关系，把混凝土、钢筋二者的贡献组合起来，一次求得综合的单元刚度矩阵。

后两种模型共同点是它们的单元刚度矩阵都是反映钢筋混凝土的综合刚度。

钢筋混凝土结构有限元分析模型探讨

简介：本文主要就钢筋混凝土结构有限元分析模型进行了探讨，供大家参考！！

关键字：钢筋混凝土结构，有限元分析，模型，探讨

1 结构有限元分析流行的几种模型及其特点

比较公认的有分离式模型(discrete model), 分布式模型(smeared model)(也有称整体式模型)，组合式模型(也有称埋藏式模型embedded model)三种 (上述三种也称xxx钢筋模型)。分离式模型把钢筋和混凝土作为不同的单元处理，例如混凝土采用solid65，而钢筋采用link8等，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，当然如果认为粘结很好，也可以不考虑联结单元问题。该模型是唯一可以考虑钢筋和混凝土之间的粘结特性的。众所周知，钢筋混凝土是存在裂缝的(否则钢筋难以发挥作用)，而开裂必然导致钢筋和混凝土变形不协调，也就是说必然存在粘结失效和滑移的产生，因此这种模型被广泛的应用。单元刚度矩阵的推导与一般有限元相同。

分布式模型是把钢筋以一定的角度分布于整个单元中，并认为二者粘结很好，单元是连续均匀的材料。单元刚度矩阵推导时，先组合弹性矩阵[D]，然后求得[K]。

组合式模型也认为二者之间粘结很好，没有相对滑移；又分为分层组合式、带钢筋膜的单元等方式。与分布式模型不同，该单元刚度矩阵推导时分别求出各自的单刚，然后组合起来，此为二者的差异。

2 ANSYS采用的分析模型

可以考虑分离式模型(discrete model)和分布式模型(smeared model)。在分离式模型中，你可以选择不同的单元划分方式，例如钢筋用体单元而非link8，但是这种模型的收敛性常存在问题。对于分布式模型，SOLID65可以考虑三种钢筋材料，应该也够用了，这种模型比较容易得到收敛的解(这里的收敛是指尚没有达到破坏时候的解,当结构破坏时不能收敛是正常的)。当然SOLID65不仅仅是考虑钢筋，而是“增强材料”，可以是钢筋、竹、FR P类等，也即SOLID65可以用于各种复合材料的分析。

3 裂缝处理的主要方式

裂缝的发生机理及其裂缝理论可参考各种教材和书籍，这里不予赘述。而这里所言是钢筋混凝土有限元分析中裂缝的数学模型，由于裂缝的处理比较困难，因此其处理方式也很多，可谓百花怒放。但主要且常用的有三种方法：离散裂缝模型(discrete cracking model)、分布裂缝模型(smeared cracking model)、断裂力学模型。

①离散裂缝模型：也称单元边界的单独裂缝模型，即将裂缝处理为单元边界，一旦混凝土开裂，就增加新的结点，重新划分单元，使裂缝处于单元和单元边界之间。该法可以模拟和描述裂缝的发生和发展，甚至裂缝宽度也可确定。但因几何模型的调整、计算量大等，其应用受到限制。不过也因计算速度和网格自动划分的实现，该模型有可能东山再起。

②分布裂缝模型：也称单元内部的分布裂缝模型，以分布裂缝来代替单独的裂缝，即在出现裂缝以后，仍假定材料是连续的，仍然可用处理连续体介质力学的方法来处理。即某单元积分点的应力超过了开裂应力，则认为整个积分点区域开裂，并且认为是在垂直于引起开裂的拉应力方向形成了无数平行的裂缝，而不是一条裂缝。由于不必增加节点和重新划分单元，很容易由计算自动进行处理，因而得到广泛的应用。

③断裂力学或其它模型：断裂力学在混凝土结构分析领域的研究十分活跃，但主要都集中于单个裂缝的应力应变场的分布问题，对于多个裂缝及其各个裂缝之间的相互影响问题，研究工作目前尚不成熟，到能够应用于实际路程还很遥远。 ANSYS采用分布裂缝模型。