钢筋混凝土非线性有限元分析综述

摘 要：近年来，钢筋混凝土非线性有限元理论获得了重大的发展，与线弹性分析方法以及常规计算模型相比，非线性有限元方法具有适应性强、力学概念明确、分析精确等优点。因此，它在钢筋混凝土结构的性能分析和设计方法的研制方面发挥着日益重要的作用。本文正確地把握了规范中关于混凝土结构的设计分析的基本思想，指出了常规分析方法与非线性有限元分析方法的差异，对钢筋混凝土非线性有限元的研究进展和应用前景作了简要的述评。

关键词：钢筋混凝土；非线性；有限元

1 前言

钢筋混凝土结构是建筑、桥梁等领域中应用最为广泛的一种结构。但是我国对钢筋混凝土的各方面力学性能的计算掌握还不能说已经掌握的很全面很彻底了，特别是混凝土。因为混凝土是由水、水泥、砂子、石子及各种不同掺和料或外加剂混合硬化而成的，是一种成分非常复杂、性能多样的建筑结构材料。长期以来，分析钢筋混凝土结构的应力或内力的方法都是线弹性理论，确定构件的承载能力、刚度和抗裂性却是用极限状态的设计方法，显然二者之间是互不协调的。并且这种设计方法一般都是基于大量试验数据上的经验公式，虽然这些经验公式可以反映钢筋混凝土构件的非弹性性能，但是，随着越来越多的钢筋混凝土构筑物需要修建，对工程质量也提出了更高的要求，这样一来，使用经验公式的常规设计就暴露出来很多缺点，所以在使用上还有局限性，也缺乏系统的理论性。

为了进一步完善研究方法，人们又作了大量的实验和研究工作，探索塑性变形的结构非线性分析方法，以便能正确反映钢筋混凝土结构的实际性状。

2 有限元分析的重要性

钢筋混凝土结构是目前工业建筑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不同性质的材料—混凝土和钢筋—组合而成的，它的性能直接依赖于这两种材料的性能特别是在非线性阶段，在对钢筋混凝土进行分析时，最常用的，是线弹性分析方法，但是线弹性分析方法的基本假定是小变形。混凝土和钢筋本身的各种不同的非线性性能和二者之间联结的非线性性能，在这种组合材料中将不同程度地反映出来，这时候，如果仍用线弹性方法进行模拟运算，将很难准确地反映结构的实际变形和受力特点。正由于存在着这些问题，钢筋混凝土结构的非线性分析就显得特别重要。

基于功能完善的有限元软件和高性能的计算机硬件对设计的结构进行详细的力学分析，以获得尽可能真实的结构受力信息，就可以在设计阶段对可能出现的各种问题进行安全评判和设计参数修改。

3 有限元分析原理

随着计算机技术的飞速发展，基于有限元方法原理的软件大量出现，并在实际工作中发挥了越来越重要的作用。

Ngo和Scordelis最早把有限元方法用于钢筋混凝土结构分析。他们对钢筋混凝土梁进行了线性有限元分析。这个早期的研究虽然比较粗糙，但是它确定了钢筋混凝土有限元分析的基本理论。

有限元的基本思想是把连续系统分割成有限个分区或者单元，然后对每个单元提出一个近似解，再将所有单元按照标准方法组合成一个与原有系统近似的系统。

进行有限元操作的时候，首先要建立有限元模型，确定模型所需要的各类参数，其中包括混凝土本构模型和钢筋本构关系的确定。混凝土本构模型包括线弹性本构模型、非线弹性本构模型和塑性本构模型。简而言之，有限元分析可以分为三大阶段，第一阶段是前处理阶段，建立合理的有限元模型，并尽可能精确的划分网格，从而可得到相对精确的分析结果。第二阶段是分析运算处理阶段。第三阶段是后处理阶段，此阶段方便用户采集处理分析结果，使用户可以简便提取信息，了解分析结果。

4 有限元分析的优点与展望

有限元原理最大的特点就是标准化和规范化，正是这种特点使得大规模的分析和计算成为可能，当采用了现代化计算机以及所编制的软件作为实现平台时，则复杂工程问题的大规模分析就变成了现实。

目前，世界各国建筑存在两方面的问题，一方面很多早期修建的工程结构物由于疲劳和损伤需要维护，另一方面大量的房屋、路桥等建筑物即将进入或接近使用年限。这就致使如何合理地使用、正确地维护这些己有的建筑物并且能运用计算机对建筑物在各因素作用下的性能做出评价变得至关重要。旧结构与新结构存在很大差异，通过实体试验来研究其性能难度很大。而计算机模拟分析则为结构检测、评估人员提供了一个有力的工具，使其能在“虚拟”的空间内模拟具有足尺结构的性能。随着有限元技术的不断发展，钢筋混凝土非线性有限元分析方法必定会在理论和工程中取得更大的发展并发挥更大的作用。

当今有限元最直接的发展趋势就是和CAD软件的集成使用，就是当CAD软件完成构件的设计后，可以直接将模型传到有限元软件中进行网格划分和分析计算，极大的提高了设计水平，减少了资源的浪费。除了这一趋势还有很多其他方面需要完善的发展方向，如网格处理问题的完善，由线性问题到处理非线性问题，由单一结构厂求解到耦合厂问题的求解，软件对用户的开放性到软件之间的强强联合等。

利用有限元软件可以用简单问题替代复杂问题再求解，因为实际问题被简单问题所替代，所以求出来的解是近似解。即使这样，有限元凭借计算精度高，能适应各种复杂的模型等优点，在工程中得到广泛的使用。

5 结论

随着有限元理论的发展和计算机科技的不断进步，钢筋混凝土非线性有限元理论一定会在实际应用和工程实施中得到更大的进步和发展。尽管钢筋混凝土非线性有限元分析已经有了很大的突破，在很多领域都得到了广泛的应用，但是其存在的很多问题仍然不容忽视，其中包括混凝土本构关系的不规范性；裂缝模拟难度系数仍然很高；混凝土变形之后发生的徐变和收缩问题没有得到有效的模拟和解决；钢筋混凝土之间的粘结问题并没有在软件中得到合理的考虑。

有限元分析软件在钢筋混凝土构建设计应用中有着广泛的前景，它不仅可以处理简单的模型，还可以分析一些在实验中难以模拟的复杂模型，同时在施工中发挥的模拟作用更是无与伦比，因此有限元作为一款功能强大的软件，进一步的运用和探索就变得尤为重要。

参考文献：

[1] 康清梁.钢筋混凝上有限元分析[M].北京：中国水利水电出版社，1996.

[2] 江见鲸.钢筋混凝上结构非线性有限元分析[M].西安：陕西科学技术出版社，1994.

[3] 罗淼平.基于有限元的混凝土梁受剪承载力分析[D].华南理工大学，2015.6.

[4] 宋玉普.钢筋混凝上有限元和板壳极限分析[M].大连：大连理工大学出版社，1994.

[5]吴晓涵，吕西林.反复荷载作用下混凝上剪力墙有限元非线性分析[J].同济大学学报，1996（2）：117～123.

[6] 李进.高强箍筋混凝土梁受剪性能研究及有限元分析[D].西安建筑科技大学，2008（5）.

[7] ChenB，LiuJ.Contribution of hybrid fibers on the properties of the high-strength 1ight weighte on eretehaving good workability [J].Cementand Conerete Researeh，2005（35）：913～917.

[8] David J. Kruglinski. Visual C++技术内幕[M].北京：清华大学出版社，1999.

[9] 王辉.精通Visual C++ 6.0[M].北京：电子工业出版社，1999.