【摘 要】文章着重讨论了ANSYS在钢筋混凝土构件全过程分析中钢筋混凝土材料的单元选择、材料特性、破坏准则等方面。说明只要合理选择单元类型、划分网格等，就能够得出比较准确的非线性特性曲线，从而达到减少设计成本、缩短设计和分析的循环周期、增加产品和工程的可靠性的目的。
【关键词】ANSYS；钢筋混凝土；单元类型；材料特性；破坏准则
一、前言
钢筋混凝土结构是目前工业与民用建筑中最主要的结构形式。由于钢筋混凝土是由两种性质不同的材料———混凝土和钢筋组合而成，它的性能明显地依赖于这两种材料的性能，特别是非线性阶段，对钢筋混凝土结构进行非线性分析就显得特别重要了。有限元研究。AN?鄄SYS 有限元分析软件具有以下优点：减少设计成本、缩短设计和分析的循环周期、增加产品和工程的可靠性。采用优化设计，降低材料的消耗和成本，在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题，可以进行模拟实验分析，进行机械事故分析，查找事故原因。
（一）选取单元类型
ANSYS软件本身带有大量的单元类型，如BEAM、LINK、SOLID、PIPE、PLANE、SHELL、COMBIN、MASS等结构方面的单元类型。三维8结点实体等参单元，SOLID65单元（如图1所示）通常用来模拟钢筋混凝土材料，实体单元每个节点都有3个自由度，该单元可以产生塑性变形，在三个方向上开裂及可以被压碎。
内部的钢筋的模拟有两种方法，一种是作为附加弥散钢筋分布在一个指定方向，即整体式。钢筋作为附加弥散钢筋加入到SOLID65单元中，是通过输入实常数，给定SOLID 65 单元在三维空间各个方向的钢筋材料编号、位置、角度和配筋率。这种方法主要用于有大量钢筋且钢筋分布较均匀的构件中，譬如剪力墙或楼板结构；另一种把混凝土和钢筋作为不同单元来处理即分离式，混凝土与构件各自被划分成足够小的单元，混凝土采用SOLID65D单元模拟，钢筋通常用LINK8单元模拟。LINK8单元有两个节点，每个节 点有3个自由度，见图2。利用空间杆单元LINK8建立钢筋模型和混凝土单元共用节点。这种方法建模比较方便，可以任意布置钢筋并可直观获得钢筋的内力。但是建模需要考虑共用节点的位置，且容易出现应力集中拉坏混凝土的问题。
梁单元允许钢筋产生剪应变，但是因为在ANSYS中这些单元只有线性变形，所以钢筋可能会没有塑性变形。弥散钢筋和LINK单元选项中已经包括了在模拟过程中当钢筋剪切刚度损失时的弹塑性特性曲线。
（二）材料特性
混凝土材料是一种类似脆性的、受拉和受压性能不同的材料，抗拉强度约为抗压强度的8%～15%。图3为混凝土的单轴受压的应力－应变曲线。对于混凝土模型可以使Multilinear kinematic hardening plasticity 模型或者Drucker-Prager plas?鄄ticity 模型等，用来定义混凝土的应力应变关系和用SOLID 65 特有的Concrete单元数据用于定义如单轴和多轴拉压强度等混凝土的强度准则。ANSYS 要求输入混凝土弹性模量、单轴极限抗压强度、单轴极限抗拉强度、泊松比、张开裂缝间的剪切传递系数（一般认为在0.1～0.5）、闭合裂缝间的剪切传递系数（一般认为在0.7～0.9）。
图3 图4
对于钢筋，作为一种金属材料，其力学模型相对容易把握，一般采用双折线随动强化模型（BKIN）等给定一个应力应变关系（图4）的曲线，应用Von Mises屈服准则，即当钢筋屈服，进入塑性阶段。
混凝土和钢筋组合方法假设钢筋和混凝土之间位移完全协调，没有考虑钢筋和混凝土之间的滑移，而通过加入界面单元的方法，可以进一步提高分析的精度，同样利用空间杆单元LINK8建立钢筋模型。不同的是混凝土单元和钢筋单元之间利用弹簧模型COMBIN单元来建立连接。不过，由于一般钢筋混凝土结构中钢筋和混凝土之间都有比较良好的锚固，一般不考虑混凝土与钢筋之间的粘结滑移。
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