钢筋混凝土结构空间有限元分析的体梁组合单元-工程力学-清华大学.pdf

第 19 卷第6 期 工 程 力 学 Vol.19 No.6 2002 年 12 月 ENGINEERING MECHANICS Dec. 2002 文章编号：1000-4750(2002)06-131-05 钢筋混凝土结构空间有限元分析的体梁组合单元 王家林 (重庆交通学院桥梁及结构工程系，重庆 400074) 摘 要：本文提出了一种用于钢筋混凝土结构空间有限元分析的体梁组合单元模型。该模型将混凝土体元 内的钢筋作为能承受轴力、剪力、弯矩和扭矩的梁元，根据钢筋和混凝土在单元内的位移协调条件和虚功 原理将两者组合成一个单元。体梁组合单元模型能较全面地反映混凝土内钢筋的力学效应，能适应钢筋的 任意布置方式，容许用较大的单元对结构进行离散，解决了大型钢筋混凝土结构有限元分析的单元划分问 题。数值算例及其与解析解的比较演示了模型的可行性和精度。 关键词：钢筋混凝土结构；有限元法；体梁组合单元 中图分类号：TU375, TB115 文献标识码：A 1 引言 目前最常用的组合式模型有两种，一种为分层 组合式，这种模型在杆件系统，尤其是钢筋混凝土 钢筋混凝土结构是土木工程中应用最为广泛 板壳结构中应用很广；一种为钢筋、混凝土组合单 的一种结构。钢筋混凝土结构进行有限元分析时， 元，平面问题中主要有带钢筋的四边形单元，空间 由于其组分材料钢筋和混凝土的力学性质和尺度 问题中主要有带钢筋膜的各种体元。 都相差很大，采用什么样的单元模型是一个首先需 空间情况下，钢筋布置和受力都很复杂，如何 要解决的问题。 将钢筋等效为钢筋膜以及能否等效是一个难以回 目前应用于钢筋混凝土结构有限元分析的有 答的问题。鉴于此，本文提出一种新的体梁组合单 [1,2,3] 限元模型主要有三种方式 ：分离式、整体式和 元模型，能适应钢筋在混凝土中的各种布置方式， 组合式。分离式模型把混凝土和钢筋各自划分为足 对钢筋在混凝土中的力学行为具有较强的描述能 够小的单元，并在钢筋和混凝土之间插入联结单元 力。 来模拟钢筋和混凝土的粘结和滑移，这种模型的离 散工作量和计算规模比较大，对计算机的要求也就 2 体梁组合单元模型 比较高，但在研究钢筋和混凝土之间相互作用的微 2.1 混凝土体元与梁元的组合形式 观机理方面有突出的优势；整体式模型将钢筋弥散 将钢筋混凝土结构的几何按体元离散。由于一 于整个单元之中，并把单元视为均匀连续的材料， 般钢筋较长，因此会被体元的各几何表面分割为一 很显然，这种模型过于粗略，对钢筋混凝土结构的 个一个节段。如果将体元作为混凝土体元，则体元 力学性质缺乏足够的反映；组合式模型介于分离式