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钢筋混凝土结构有限元分析模型探讨

发布时间:2005-12-7 15:56:21   点击次数:463次


 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、FRP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。



  来源:中国投标网     
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