ANSYS分析FRP加固混凝土梁的有限元模型

趙健 劉靜

摘要：介紹了ANSYS軟件分析FRP加固混凝土結構的單元及模型建立，總結了ANSYS軟件分析FRP加固混凝土結構應該注意的事項和目前研究的不足。

關鍵詞： ANSYS ；FRP加固 ； 有限元模型

中圖分類號： TU37文獻標識碼：A

0引言

有限元方法是建立FRP加固混凝土模型的有效方法，ANSYS中的Solid65單元提供了整體性鋼筋模型，目前研究者基本上都通過在有限元模型中使用各種界面單元來模擬FRP－混凝土的界面行為，FRP－混凝土的界面行為的模擬對有限元分析模型的建立至關重要。

1、單元簡介

模擬混凝土結構的單元－Solid65

ANSYS中的Solid65單元是專為混凝土、巖石等抗壓能力遠大于抗拉能力的非均勻材料開發的單元，Solid65單元是在三維8節點等參元Solid45單元的基礎上，增加了針對于混凝土的性能參數和組合式鋼筋模型。該單元具有八個節點，每個節點有三個自由度（X、Y、Z三個方向的線位移）；單元最多允許有4種材料，即混凝土和以彌散方式分布于其中的3個方向的獨立配筋，具有模擬混凝土材料的開裂、壓碎、塑性變形和蠕變的能力[1-3]。

2 有限元模型的建立

2.1 單元類型的選取

混凝土采用配筋的Solid65單元，忽略鋼筋與混凝土之間的滑移；纖維布采用Shell41單元，使用Combin39非線性彈簧單元模擬纖維布與混凝土之間的滑移關系；在梁支座增加彈性墊塊以減少應力集中，采用Solid45單元模擬。

2.2 材料的本構模型和破壞準則

2.2.1 混凝土

混凝土材料的非線性模型采用多線性各向同性強化模型（MISO），混凝土的單軸受壓應力－應變曲線，采用設計規范[4]建議的分段式曲線方程(公式1)：

定義：

當時

（1-a）

當時

(1-b)

式中，和分別為單軸受壓應力－應變曲線的參數值，按下式采用：

（1-c）

（1-d）

－混凝土軸心抗壓強度（N/）。

、－分別為與對應的峰值壓應變和混凝土的極限壓應變，按下列公式計算：

（1-e）(1-f)

混凝土開裂后，裂縫張開和閉合的剪力傳遞系數分別取為0.5和0.95。

2.2.2 鋼筋

采用理想彈塑性的應力－應變關系，理想曲線的方程如公式（2）所示：

當時，

當時， （2）

2.2.3 FRP材料與混凝土之間的粘結滑移關系

采用清華大學陸新征博士建議的FRP與混凝土的粘結－滑移模型[5]：

（3-1）

（3-2）

其中：

（3-3）

（3-4）

（3-5）

（3-6）

（3-7）

2.3 收斂的設置

采取了以下加速收斂的措施：關掉混凝土的壓碎選項（即令混凝土單軸抗壓強度為-1）；將荷載通過一系列的荷載子步逐步施加，并多次調整荷載子步數進行試算，以獲得最佳的收斂結果；采用以力為基礎的收斂準則，收斂精度放寬為5％；打開自動時間分步與線性搜索選項[6]。

3、ANSYS軟件分析FRP加固混凝土結構的方法及應該注意的問題

在建立有限元模型和求解的過程中，一般需要注意以下問題：

（1）關于混凝土受壓應力－應變曲線的下降段，采用下降段時，由于會形成負的剛度矩陣，從而造成有限元求解的困難，但是不輸入下降段，則與實際的混凝土受壓特性不符。

（2）有限元模型中的支座和加載點是需要特別注意的，為避免這里的應力集中，一般可以加一個剛性墊塊，采用Solid45單元模擬。

（3）荷載的施加，一般采用位移控制，并且采用多個荷載子步施加荷載，以利于求解的收斂。 [7]

4、結論及建議

對基于ANSYS軟件進行的FRP加固混凝土結構的有限元分析，雖然國內外對此已經進行了不少研究，也取得了很多的成果，但仍有以下問題沒有很好解決：

（1） FRP－混凝土界面的粘結－滑移行為對于正確模擬FRP抗剪加固混凝土梁的行為至關重要，不考慮FRP與混凝土之間的滑移，在有限元模型中表現為簡單地將結合點耦合，這樣雖降低了有限元分析的難度，卻無法模擬FRP的剝離行為，準確性不足。

（2）通過在有限元模型中使用各種界面單元來模擬FRP－混凝土的界面行為，采用較多的是FRP－混凝土界面粘結滑移本構，混凝土本構和FRP－混凝土界面行為是建立FRP抗剪加固有限元分析模型的兩個主要方面，現有的混凝土本構在處理剪切問題時的表現都不盡如人意。

（3）利用ANSYS軟件進行混凝土結構的有限元分析時，由于混凝土在受拉受壓下表現出的非線性以及軟件自身收斂性的不足，有限元求解難以收斂幾乎是每個研究者都無法避免的。

參 考 文 獻：

1ANSYS Theory Manual 5.7, 2001. ANSYS Inc., 2001

2ANSYS Users Manual for Revision 5.7. ANSYS Inc., 2001

3郝文化.ANSYS土木工程應用實例[M].北京:中國水利水電出版社.2005

4中國建筑科學研究院主編.GB 50010－2002,混凝土結構設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社,2002.

5Lu Xinzheng, Teng Jinguang, Ye Lieping and Jiang Jianjing. Bond-slip models for FRP sheet/plate-to--concrete interfaces [A]. Proc.2nd International Conference of Advanced Polymer Composites for Structural Applications in Construction [C]. Cambridge, UK: Woodhead Publishing Ltd, 2004. 152~161.

6 陸新征,江見鯨.用ANSYS Solid65單元分析混凝土組合構件復雜應力[J],建筑結構,2003.6,33(6):22－24.

作者簡介：趙?。?979.1－），男，工學學士，工程師。

劉靜（1977.3-） 女，工學學士，高級工程師。