【摘 要 】綜述了國(guó)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(wèn)題。

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

【中圖分類號(hào)】Tu746.3

1 FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)分析單元簡(jiǎn)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(kāi)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(duì)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(kāi)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(kāi)裂后張開(kāi)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(duì)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(lái)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(méi)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(guó)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(duì)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(duì)FRP約束混凝土方柱的軸心受壓性能進(jìn)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(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(duì)比，吻合較好。

　　周毅 雷 對(duì) 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)?；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(méi)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(duì)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(kāi)發(fā)接口加人。刃dman單元(節(jié)理元)來(lái)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(lái)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(duì)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(duì)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(guò)程和受剪剝離受力性能。

　　王樹(shù) 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(duì)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(wèn)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(guò)程中，一般需要注意以下問(wèn)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(duì)的。

4 結(jié)論及建議

　　對(duì)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(guó)內(nèi)外對(duì)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(wèn)題沒(méi)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(wú)法避免的。

　　(2) 對(duì) 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(méi)有發(fā)生剝離破壞時(shí)，這種建模方法無(wú)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(duì)于構(gòu)件的破壞形態(tài)未做過(guò)多的考慮。