ANSYS分析FRP加固混凝土結構研究綜述

【摘 要 】綜述了國內外利用ANsYS軟件分析FRP加固混凝土結構取得的研究進展，總結了ANSYS軟件分析FRP加固混凝土結構的使用方法及應該注意的事項，最后指出目前研究的不足以及進一步需要解決的問題。

【關 鍵 詞 】混凝土結構;ANsys軟件;FRP;加固

【中圖分類號】Tu746.3

1 FRP加固混凝土結構分析單元簡介

1.1_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(fā)的單元，Solid65單元是在三維8節(jié)點等參元Solid45單元的基礎上，增加了針對混凝土的性能參數(shù)和組合式鋼筋模型。該單元具有八個節(jié)點，每個節(jié)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川一[3]。

在 AN SY S中，混凝土采用的是Willalm一Warnke5參數(shù)破壞準則，同時需要輸人以下定義混凝土材料性質的參數(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力一應變曲線等川[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結點結構實體單元(Solid45)的可分層版本，可用來模擬分層厚殼或分層實體，允許多達250個材料層;shel41是一個三維單元，平面內具有膜強度但平面外沒有彎曲強度，單元在每個節(jié)點有三個自由度:沿節(jié)點x、玖2軸向的移動;Shel63既具有彎曲能力又具有膜力，可以承受平面內荷載和法向荷載，本單元每個節(jié)點具有6個自由度:沿節(jié)點坐標系X、Y、Z方向的平動和沿節(jié)點坐標系X、Y、Z軸的轉動;Shell63既具有彎曲能力和又具有膜力，可以承受平面內荷載和法向荷載，本單元每個節(jié)點具有6個自由度:沿節(jié)點坐標系X、Y、Z方向的平動和沿節(jié)點坐標系X、Y、Z軸的轉動。

2 國內外研究概況

Dam ian K 等人進行了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力一應變曲線下降段的作用，并關閉混凝土的壓碎選項，以利于計算的收斂。計算的梁跨中的荷載一撓度曲線與試驗結果很接近。

Jia Minglei進行了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。計算的梁跨中荷載一撓度曲線、荷載一FRP 應變曲線均與試驗結果吻合較好。

Chansawa ntK進行了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材料之間均粘結良好，模擬結果與試驗結果有較好的吻合。

San thak u marR等人對CFRP加固鋼筋混凝土抗剪梁進行了模擬計算[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的彈性墊塊。計算得到的荷載一撓度曲線和試驗結果吻合較好。

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，計算結果與試驗結果有很好的吻合。

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荷載藕合作用下FRP加固混凝土墩柱的力學響應，得出了一些有益的結論〔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行了分析?；炷敛捎胹olid65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。將計算得到的混凝土軸向受壓平均應力-應變關系和纖維應變發(fā)展情況與試驗結果對比，吻合較好。

周毅 雷 對 碳纖維布加固混凝土梁的抗剪性能進行了有限元分析訓?；炷敛捎胹olid65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，計算結果與實驗結果吻合較好。

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)來模擬粘結層，編制了相應的單元程序，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荷載試驗進行了模擬。用solid65單元模擬混凝土，links單元模擬鋼筋，將計算得到的荷載-位移曲線與試驗的骨架曲線對比，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;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行了成功的模擬分析。

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

可以 看 出 ，利用ANsYS軟件進行FRP 加固混凝土結構的有限元分析，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 于 混凝土受壓應力一應變曲線的下降段，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，但是不輸人下降段，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。

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

4 結論及建議

對基 于 A NSYS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) 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(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研究者都無法避免的。

(2) 對 于 FRP加固混凝土結構，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)點的方法，在加載的前期，當沒有發(fā)生剝離破壞時，這種建模方法無疑是準確的，但是在構件受力的后期，采用共用節(jié)點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，對于構件的破壞形態(tài)未做過多的考慮。