预应力钢筋混凝土构件有限元模拟方法对比

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1、预应力钢筋混凝土构件有限元模拟方法对比李平王家林（重庆交通大学土木建筑学院，重庆40074）摘要：文中介绍了ABAQUS的embedded方法和非节点连接方法模拟钢筋混凝土构件。详细讨论了两种方法的思路和特点。对ABAQUS中embedded无法约束转动自由度给予了说明。通过三个算例计算对比，介绍了两种方法的准确性和优缺点。通过对比证明了非节点方法的优越性，并得出了一些有益的结论。关键词：有限元；加筋结构；建模；非节点链接；ABAQUS;中图分类号：TU13；0242.21文献表示码：AThecomparisonofthemethodsofreinforcedconcretest

2、ructuresLIping,WANGJia-Lin（SchoolofCivilEngineering&Architecture,ChongQingJiaotongUniversity,ChongQing400074,China）Abstract：Theembeddedelementandthenon-nodalFEMwereintroducedtousedtosimulatethereinforcedconcretestructuresinthepaper.Theconceptsandfeaturesoftwomethodsofbuildingmodelsatediscusse

3、d.Theadvantagesanddisadvantagesofthemethodswereexpoundedthroughthethreeexamples.Someusefulconclusionsweredrawnbythecomparisonoftwomethods.Keywords:finiteelementmethod;buildingmodel;reinforcedstructure;non-nodalconnection;ABAQU551、引言钢筋混凝土结构由钢筋和混凝土两种材料组成。如何将这类结构离散化？这一问题与一般均匀连续的一种或几种材料组成的结构有类似之处

4、，但也有不同之处。在钢筋混凝土结构中钢筋一般是被包围于混凝土之中的，而且相对体积较小。但是在受力过称中却起着非常重要的作用，因此在建立钢筋混凝土有限元模型时，必须考虑到钢筋的受力变化。收稿日期：2009-06-；修订日期：作者简介：李平(1980-)，安徽合肥人，硕士研究生，主要从事土木工程结构有限元分析CAE软件应用研究。E-mail：hefeiliping@yahoo.com.cn；电话023-62650595。钢筋混凝土结构的有限元建模方法有分离式、组合式和整体式三种[1]，其它加筋结构也多参照这些方法。分离式在基体单元的节点间设置加筋单元，概念简单，但是加筋单元和基体材料

5、单元共用节点的要求使得建模困难。整体式模型通过配筋率将加筋构件转化为等效的基体材料，方法虽然简单，但过于粗略。组合式模型消除了加筋单元与混凝土节点连接的限制，便于模拟加筋构件的真实布置情况，可以很好地模拟加筋构件与基体材料无滑移的情况，还可以对加筋构件施加预应力。缺点是基体单元的网格和加筋单元的网格不能完全独立划分，需要在软件内部对加筋构件实现自动划分，使之满足组合式的要求。预应力混凝土结构的应力分析中有等效荷载法和实体力筋法[2-6]，等效荷载法，即将预应力转换为等效荷载力直接施加到混凝土上，然后根据初等梁理论进行分析。等效过程中，采用一定的假设进行简化，无法考虑结构的空间效应

6、，对于受力复杂的结构更是无能为力[2]。实体力筋法常规的分为：实体分割法、节点耦合法、约束方程法[6]。预应力通过降温和初应变模拟[3]。降温方法比较简单，同时可以设定力筋不同为的预应力不等，即5能够对应力损失进行模拟；初应变法通常不能考虑预应力损失，否则每个的实常数各不相等，工作量较大。在实体力筋法中，ABAQUS的单元埋植（embeddedelement）方法[7]和非节点连接有限元方法[8]本质上都属于约束方程法（MPC）。在单元划分时无需考虑公共节点，网格划分简易。钢筋与混凝土的连接耦合实施更为方便。本文就两种方法进行对比研究，对于ABAQUS中的单元埋植存在的不足给予实

7、例的验证和说明。2、单元埋植与非节点连接方法ABAQUS的单元埋植与非节点连接有限元方法整体思路非常接近，都可以分别独立建立混凝土模型和钢筋模型，独立划分网格。网格划分时无须考虑混凝土单元与钢筋单元的节点位置关系。通过程序自动分析钢筋的节点在混凝土单元中的几何位置后自动在钢筋节点与混凝土单元之间建立约束方程，无须额外的操作。图1.单元埋植于主单元中Fig.1Elementslieembeddedinhostelements埋植技术通常被指定处理一个或者一组单元处于别的单元内部的问