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非线性弹簧单元
2009/7/18 12:46:23
考虑钢筋和混凝土之间的粘结滑移时，通常在钢筋和混凝土的相应结点之间设置联结单元，为准确地反映混凝土构件的受力特性，本文采用ANSYS中三维非线性弹簧单元Combin39作为钢筋与混凝土之间的粘结单元，以模拟钢筋-混凝土的粘结滑移关系。Combin39单元是一个具有非线性功能的弹簧单元，可对此单元输入广义的力-变形曲线以定义它的非线性行为。该单元包含2个节点，可用于一维、二维或三维的分析中，如图1所示。钢筋和混凝土的接触面之间的相对移动有法向、纵向切向和横向切向三个方向，为全面考虑钢筋混凝土连接面上的相互作用，在钢筋和混凝土连接面上在每一对对应节点之间均分别建立三个非线性弹簧单元来模拟钢筋与混凝土之间三个方向的相互作用。弹簧的模型如图2所示：
非非线性弹簧单元Combin39 三向弹簧有限元模型
钢筋和周围的混凝土之间的粘结是分析钢筋混凝土结构所遇到的特有问题，也是一个比较复杂的问题。国内外在这方面做了大量的工作，其中一些成果已经应用到实际工程中去。钢筋混凝土有限元分析中粘结滑移关系表达式主要是从试验数据归纳拟合出的粘结滑移曲线，本文采用Houde和Mirza公式描述的粘结滑移公式：
(7)
式中：τ为粘结应力,N/mm2；S为相对滑移量，mm，在滑移量达到0.03 mm左右时，粘结应力达到最大值；fc为混凝土轴心抗压强度，MPa。
对于钢筋混凝土有限元模型,粘结力F与滑移量S的关系如下[6]
(8)
式中：d为一根钢筋的直径；l为联结单元间距。
由此根据式（7）可以得到沿钢筋长度方向弹簧单元的荷载-位移(F-D)关系式
(9)
垂直于钢筋长度方向的弹簧单元的刚度系数可以按下式[7]计算
(10)
式中：E为混凝土弹性模量；bn为钢筋高度处混凝土梁的净宽；b为梁宽。
由此可以得到垂直于钢筋长度方向弹簧单元的荷载-位移(F-D)关系式
(11)
以上为在ANSYS中定义沿滑移方向和垂直方向的Combine39单元时需要的关系式。非线性弹簧的荷载-位移关系是根据钢筋与混凝土粘结滑移模型推导的，模型中的Combine39单元能够比较准确的模拟钢筋与混凝土的粘结滑移关系。