ANSYS分析FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)研究綜述

【摘 要 】綜述了國內(nèi)外利用ANsYS軟件分析FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)取得的研究進(jìn)展，總結(jié)了ANSYS軟件分析FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)的使用方法及應(yīng)該注意的事項(xiàng)，最后指出目前研究的不足以及進(jìn)一步需要解決的問題。

【關(guān) 鍵 詞 】混凝土結(jié)構(gòu);ANsys軟件;FRP;加固

【中圖分類號】Tu746.3

1 FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)分析單元簡介

1.1_模擬混凝土結(jié)構(gòu)的單元— Solid65

ANSYS中 的solid65單元是專為混凝土、巖石等抗壓能力遠(yuǎn)大于抗拉能力的非均勻材料開發(fā)的單元，Solid65單元是在三維8節(jié)點(diǎn)等參元Solid45單元的基礎(chǔ)上，增加了針對混凝土的性能參數(shù)和組合式鋼筋模型。該單元具有八個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)自由度(X、Y、Z三個(gè)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(gè)方向的獨(dú)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川一[3]。

在 AN SY S中，混凝土采用的是Willalm一Warnke5參數(shù)破壞準(zhǔn)則，同時(shí)需要輸人以下定義混凝土材料性質(zhì)的參數(shù):彈性模量E。，泊松比。，混凝土開裂后張開裂縫的剪力傳遞系數(shù)口。，閉合裂縫的剪力傳遞系數(shù)八，以及混凝土的單軸受壓應(yīng)力一應(yīng)變曲線等川[a]。

1.2 模擬FRP 材料的單元

對于 纖 維 布的模擬，可以采用Solid46、Shel99、Shell41、Shel63等單元。Solid46是8結(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)實(shí)體單元(Solid45)的可分層版本，可用來模擬分層厚殼或分層實(shí)體，允許多達(dá)250個(gè)材料層;shel41是一個(gè)三維單元，平面內(nèi)具有膜強(qiáng)度但平面外沒有彎曲強(qiáng)度，單元在每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)自由度:沿節(jié)點(diǎn)x、玖2軸向的移動(dòng);Shel63既具有彎曲能力又具有膜力，可以承受平面內(nèi)荷載和法向荷載，本單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有6個(gè)自由度:沿節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系X、Y、Z方向的平動(dòng)和沿節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系X、Y、Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng);Shell63既具有彎曲能力和又具有膜力，可以承受平面內(nèi)荷載和法向荷載，本單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有6個(gè)自由度:沿節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系X、Y、Z方向的平動(dòng)和沿節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系X、Y、Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。

2 國內(nèi)外研究概況

Dam ian K 等人進(jìn)行了FRP加固混凝土梁的承載性能的有限元分析。采用solid65單元模擬混凝土，links單元模擬鋼筋，Solid46單元模擬FRP材料。未考慮混凝土單軸受壓應(yīng)力一應(yīng)變曲線下降段的作用，并關(guān)閉混凝土的壓碎選項(xiàng)，以利于計(jì)算的收斂。計(jì)算的梁跨中的荷載一撓度曲線與試驗(yàn)結(jié)果很接近。

Jia Minglei進(jìn)行了FRP加固鋼筋混凝土梁抗剪承載力的有限元模擬川。采用sohd65單元模擬混凝土，solid46單元模擬FRP 材料，links單元模擬鋼筋。計(jì)算的梁跨中荷載一撓度曲線、荷載一FRP 應(yīng)變曲線均與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

Chansawa ntK進(jìn)行了FRP加固混凝土梁承載性能的有限元分析[61。采用solid65單元模擬混凝土，links單元模擬鋼筋，Solid46單元模擬FRP材料。假定混凝土和鋼筋、FRP材料之間均粘結(jié)良好，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果有較好的吻合。

San thak u marR等人對CFRP加固鋼筋混凝土抗剪梁進(jìn)行了模擬計(jì)算[v]，采用sohd65單元模擬混凝土，sold46單元模擬CFRP 材料，Unks單元模擬鋼筋，Solid45單元模擬梁支座處和加載點(diǎn)的彈性墊塊。計(jì)算得到的荷載一撓度曲線和試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

LiGuoqiang等人用Solid65單元模擬混凝土，Shell99單元模擬纖維布，鋼筋采用整體式有限元模型，分析FRP加固鋼筋混凝土柱的承載性能，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果有很好的吻合。

王東 等 人 利用ANSYS軟件模擬了地震中軸向壓力與單向及雙向地震往復(fù)荷載藕合作用下FRP加固混凝土墩柱的力學(xué)響應(yīng)，得出了一些有益的結(jié)論〔91。

陸新 征 等 人采用ANSYS軟件對FRP約束混凝土方柱的軸心受壓性能進(jìn)行了分析。混凝土采用solid65單元，鋼筋采用Unks單元，外包FRP布采用Shen41膜單元模擬，未考慮剝離破壞。將計(jì)算得到的混凝土軸向受壓平均應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和纖維應(yīng)變發(fā)展情況與試驗(yàn)結(jié)果對比，吻合較好。

周毅 雷 對 碳纖維布加固混凝土梁的抗剪性能進(jìn)行了有限元分析訓(xùn)。混凝土采用solid65單元，碳纖維布用shel41單元，鋼筋用links單元模擬。假定混凝土與鋼筋、碳纖維布之間均沒有滑移，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

王小 榮 用 ANSYS軟件對碳纖維布加固鋼筋混凝土梁進(jìn)行數(shù)值分析23。采用sohd65單元模擬混凝土，并利用ANSYS的二次開發(fā)接口加人。刃dman單元(節(jié)理元)來模擬粘結(jié)層，編制了相應(yīng)的單元程序，并利用單元生死功能來考慮碳纖維布加固鋼筋混凝土梁的二次受力情況，取得了較好的模擬效果。

肖建 莊 等 人利用ANSYS程序，對纖維布加固高軸壓混凝土柱的低周反復(fù)荷載試驗(yàn)進(jìn)行了模擬。用solid65單元模擬混凝土，links單元模擬鋼筋，將計(jì)算得到的荷載-位移曲線與試驗(yàn)的骨架曲線對比，吻合較好。

張子 瀟 等 人利用ANSYS軟件建立了U型FRP受剪加固梁的三維有限元分析模型，混凝土使用solid65單元，鋼筋使用links單元，F(xiàn)RP布采用Shel63殼單元，混凝土與鋼筋之間位移協(xié)調(diào);FRP與混凝土界面采用Combin39非線性彈簧單元模擬，模擬了梁的加載全過程和受剪剝離受力性能。

王樹 森 等 人采用Sohd65單元模擬混凝土，links單元模擬鋼筋，Shel41單元模擬纖維布，對碳纖維布加固后的鋼筋混凝土梁進(jìn)行了成功的模擬分析。

3 ANSYS軟件分析FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)的方法及應(yīng)該注意的問題

可以 看 出 ，利用ANsYS軟件進(jìn)行FRP 加固混凝土結(jié)構(gòu)的有限元分析，混凝土一般采用Solid65單元，鋼筋采用Unks單元，F(xiàn)RP 材料可以采用Solid46、shel 9、Shel41、弘el63等單元模擬。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(guān) 于 混凝土受壓應(yīng)力一應(yīng)變曲線的下降段，采用下降段時(shí)，由于會(huì)形成負(fù)的剛度矩陣，從而造成有限元求解的困難，但是不輸人下降段，則與實(shí)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(diǎn)是需要特別注意的，為避免這里的應(yīng)力集中，一般可以加一個(gè)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(gè)荷載子步施加荷載，以利于求解的收斂。

(4) F RP 材料與混凝土單元之間的薪結(jié)滑移關(guān)系，一般的處理方法是將兩者共用節(jié)點(diǎn)，這樣有利于收斂，但是當(dāng)分析兩者之間的剝離破壞時(shí)，這種有限元模型顯然是不對的。

4 結(jié)論及建議

對基 于 A NSYS軟件進(jìn)行的FRP 加固混凝土結(jié)構(gòu)的有限元分析，雖然國內(nèi)外對此已經(jīng)進(jìn)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) 利 用 ANSYS軟件進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)的有限元分析時(shí)，由于混凝土在受拉受壓下表現(xiàn)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(gè)研究者都無法避免的。

(2) 對 于 FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)，已有的研究成果主要是采用了混凝土單元與纖維布單元共用節(jié)點(diǎn)的方法，在加載的前期，當(dāng)沒有發(fā)生剝離破壞時(shí)，這種建模方法無疑是準(zhǔn)確的，但是在構(gòu)件受力的后期，采用共用節(jié)點(diǎn)的有限元模型將難以模擬纖維布與混凝土之間的剝離破壞，從而造成模擬的失敗。

(3) 已 有 的研究成果主要集中與荷載一位移曲線的模擬，對于構(gòu)件的破壞形態(tài)未做過多的考慮。