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摘要： 利用大型有限元分析软件ANSYS中的三维实体单元Solid65对钢筋混凝土梁进行热—结构耦合分析，模拟高温环境中预埋地脚螺栓对混凝土受热膨胀产生的约束作用。计算结果显示，混凝土构件自身由于温度变化而产生的变形在受到外来阻力约束时，会导致混凝土裂缝的出现。
关键词：钢筋混凝土； 温度应力；裂缝；非线性有限元；仿真
中图分类：TU378文献标识码：A 文章编号：
一般来说，不同季节和不同时间环境温度改变都会给材料带来“热胀冷缩”现象。这种因为温度变化使材料产生的应力为温度应力。对于室内环境温度较高或室外需要露天工作的混凝土构件，其温度变化较大所以产生的温度应力也较大，而这种温度应力对构件带来影响往往也是不可忽视的。由于钢筋混凝土结構的性质复杂，材料非线性与几何非线性常同时存在，所以用传统的方法来分析和描述这种温度应力产生的变形则难度非常大[1]。
随着计算机处理能力的不断增强以及非线性有限元方法的日臻完善，有限元作为一个强有力的数值分析工具，在钢筋混凝土结构非线性分析中正显示着越来越大的实用性和方便性[2]。目前，可以利用比较完善的特种单元来近似模拟混凝土或钢筋混凝土材料，在大型通用有限元软件ANSYS中，Solid65单元常被用来模拟钢筋混凝土等抗压能力远大于抗拉能力的非均匀材料。另外ANSYS提供的热—结构耦合分析，可以将温度影响施加到建立的模型中进行分析，从而得出温度对结构产生的应力。
1工程描述
由于水泥在煅烧过程将产生大量的粉尘和一定的热量,所以造成厂房内温度很高,环境恶劣。电收尘器作为水泥工厂中常用的除尘设备，一般都是在烧成车间的梁上预埋钢板焊接或预埋高标号的地脚螺栓安装。2002年，某水泥厂窑尾车间用于承受电收尘器的大梁，在使用一年后受压区靠近预埋螺栓的部位产生细小裂缝（见图1）。为此建设单位邀请设计、施工、监理和部分专家对裂缝产生的原因和其对厂房的安全性，耐久性进行分析：
1.1 出现裂缝的梁承受荷载、截面尺寸、配筋等均按国家规范和工艺要求设计，梁裂缝宽度及挠度均控制在规范允许范围内。
1.2 施工过程由监理人员现场进行质量控制，施工单位按设计要求及施工规范进行施工，并对混凝土试块强度抽样试验，平均抗压强度为34.69Mpa,钢材检验结果等均符合设计及规范要求。
1.3 在使用过程中并未超载或其他非正常使用，房屋的最大沉降量为17mm，而且墙面无任何裂缝。从地质资料来看，地基性能良好，可以排除由于基础沉降引起的因素。
针对上述调查结果专家提出如下判断：由于水泥厂生产进度的安排,工作时室内温度可达60ºC,冬季其他时间室内温度在10ºC左右，温差较大；当温度升高时，混凝土膨胀，降温时混凝土收缩，但在此过程中大直径预埋螺栓在混凝土受压区内产生应力作用，从而限制了混凝土热膨胀的发展，所以可能导致温度裂缝的出现。
以下就利用有限元分析软件ANSYS模拟此梁的受力情况.验证温度因素对该梁裂缝的产生影响。
图1：预埋螺栓及裂缝位置示意
2ANSYS模拟
2.1建模
目前常用的钢筋混凝土有限元有三种基本模型，一种是把钢筋和混凝土各自划分为足够小的单元，两者之间的粘结和滑移则用联结单元来模拟，称为分离式模型；第二种是把钢筋和混凝土包含在一个单元中，分别计算钢筋和混凝土对单元刚度矩阵的贡献，称为组合式模型；第三种也是把钢筋和混凝土包含在一个单元之中，但它是统一考虑钢筋和混凝土的作用，称为整体式模型。
本模型选用ANSYS中的Solid65号单元（见图2）。该单元为8节点单元，单元的每个节点有三个方向的自由度(Ux,Uy,Uz) ,主要用于三维模拟和钢筋混凝土建模。该单元可以在受拉时达到一定的强度后发生开裂现象，而当单元承受的压应力超过其抗压强度时单元会被压碎，单元的抗拉，抗压的强度值可以在单元实体特性的材料性能表中定义。另外，Solid65号混凝土单元至少可以定义三种不同规格的钢筋，除了增加特别的断裂和压碎功能外，最重要的方面是对非线性材料性质的处理，应用此单元所建立的混凝土模型具有断裂(沿三个正交方向)压碎，塑性变形和蠕变功能。
一般混凝土构件是三维方向的结构，由于梁是杆件体系细长结构，于是可以忽略横截面两方向的变形，主要考虑沿梁长度方向的伸缩变形。在本例中，没有考虑钢筋混凝土之间的粘结滑移性能，将钢筋与混凝土视为完全固结。计算模型的几何尺寸与实际工程相同，梁的尺寸为7500mm ×240mm ×700mm,钢筋配置如图1示。其中纵向钢筋采用II级钢筋，箍筋采用I级钢筋。约束情况：两端固定。
图2:Solid65—3D钢筋混凝土单元
2.2材料性质
混凝土计算参数输入见表一，钢材计算参数输入见表二。
表一: 混凝土材料输入参数一览表
表二: 混凝土材料输入参数一览表
2.3计算结果分析
检查计算分析结果使用ANSYS程序的两个后处理器，即通用后处理器POST1和时间历程后处理器POST26。本例应用POST1检查求解阶段的模型结果。
由分析结果可以知道实践证明，当温度变化较大时会产生很大的变形量,这种变形受到约束，必然在混凝土内部产生内应力。其中，混凝土热胀变形产生压应力，混凝土冷缩变形则产生拉应力。又由于混凝土抗拉强度较底，当其内部的拉应力超过其抗拉强度时，混凝土产生的裂缝便称为截面均匀温度裂缝。温度应力是产生裂缝的主要因素之一。
构件自身的变形在没有外力约束时，构件会产生自由的膨胀和收缩。当构件在自变作用下受到遇阻或约束就等于受到外来阻力，在这种阻力的强迫作用下所产生的变化，就是迫变。
迫变来自外力，表现在与力的垂直面上，当某一截面的张拉迫变足够大，裂缝立即在这截面上产生。迫变有严格的方向性，相应裂缝也有严格的方向性，因此所有裂缝的形成和产生，都有规律性可循，决不是杂乱无章。根据裂缝是何时产生及形成如何，即可反求出迫变是何时足够大及方向如何，也就是裂缝的产生原因。本例所述的几种因素是相互联系，相互制约的。
3 结论：
3.1 钢筋混凝土梁在高温环境下，由于不同的工程状况而约束了混凝土材料热膨胀的发展，在受压区会产生裂缝。
3.2 值得注意的是：产生裂缝的原因有多种，一个工程的裂缝并不是单纯由一种因素产生，因此我们在分析裂缝时应该对各种原因一一分析综合考虑。
3.3 在工业建筑设计中，对各类的厂房的工作状况应进行充分的考虑，特别是温度的影响应有足够的重视。
参考文献：
过镇海，时旭东. 钢筋混凝土的高温性能及其计算. 北京：清华大学出版社. 2003
吕西林，金国芳，吴晓涵. 钢筋混凝土结构非线性有限元理论与应用. 上海：同济大学出版社. 1997.72
中华人民共和国建设部.混凝土结构设计规范GB50010-2002.北京:中国建筑工业出版社.2002
袁海庆,蒋沧如.有限单元法的理论与工程应用.武汉:武汉工业大学出版社.1997
王国强.实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践.西安:西北工业大学出版社.1999
孔祥谦.热应力有限单元法分析.上海:上海交通大学出版社.1999
关键词：钢筋混凝土； 温度应力；裂缝；非线性有限元；仿真
中图分类：TU378文献标识码：A 文章编号：
一般来说，不同季节和不同时间环境温度改变都会给材料带来“热胀冷缩”现象。这种因为温度变化使材料产生的应力为温度应力。对于室内环境温度较高或室外需要露天工作的混凝土构件，其温度变化较大所以产生的温度应力也较大，而这种温度应力对构件带来影响往往也是不可忽视的。由于钢筋混凝土结構的性质复杂，材料非线性与几何非线性常同时存在，所以用传统的方法来分析和描述这种温度应力产生的变形则难度非常大[1]。
随着计算机处理能力的不断增强以及非线性有限元方法的日臻完善，有限元作为一个强有力的数值分析工具，在钢筋混凝土结构非线性分析中正显示着越来越大的实用性和方便性[2]。目前，可以利用比较完善的特种单元来近似模拟混凝土或钢筋混凝土材料，在大型通用有限元软件ANSYS中，Solid65单元常被用来模拟钢筋混凝土等抗压能力远大于抗拉能力的非均匀材料。另外ANSYS提供的热—结构耦合分析，可以将温度影响施加到建立的模型中进行分析，从而得出温度对结构产生的应力。
1工程描述
由于水泥在煅烧过程将产生大量的粉尘和一定的热量,所以造成厂房内温度很高,环境恶劣。电收尘器作为水泥工厂中常用的除尘设备，一般都是在烧成车间的梁上预埋钢板焊接或预埋高标号的地脚螺栓安装。2002年，某水泥厂窑尾车间用于承受电收尘器的大梁，在使用一年后受压区靠近预埋螺栓的部位产生细小裂缝（见图1）。为此建设单位邀请设计、施工、监理和部分专家对裂缝产生的原因和其对厂房的安全性，耐久性进行分析：
1.1 出现裂缝的梁承受荷载、截面尺寸、配筋等均按国家规范和工艺要求设计，梁裂缝宽度及挠度均控制在规范允许范围内。
1.2 施工过程由监理人员现场进行质量控制，施工单位按设计要求及施工规范进行施工，并对混凝土试块强度抽样试验，平均抗压强度为34.69Mpa,钢材检验结果等均符合设计及规范要求。
1.3 在使用过程中并未超载或其他非正常使用，房屋的最大沉降量为17mm，而且墙面无任何裂缝。从地质资料来看，地基性能良好，可以排除由于基础沉降引起的因素。
针对上述调查结果专家提出如下判断：由于水泥厂生产进度的安排,工作时室内温度可达60ºC,冬季其他时间室内温度在10ºC左右，温差较大；当温度升高时，混凝土膨胀，降温时混凝土收缩，但在此过程中大直径预埋螺栓在混凝土受压区内产生应力作用，从而限制了混凝土热膨胀的发展，所以可能导致温度裂缝的出现。
以下就利用有限元分析软件ANSYS模拟此梁的受力情况.验证温度因素对该梁裂缝的产生影响。
图1：预埋螺栓及裂缝位置示意
2ANSYS模拟
2.1建模
目前常用的钢筋混凝土有限元有三种基本模型，一种是把钢筋和混凝土各自划分为足够小的单元，两者之间的粘结和滑移则用联结单元来模拟，称为分离式模型；第二种是把钢筋和混凝土包含在一个单元中，分别计算钢筋和混凝土对单元刚度矩阵的贡献，称为组合式模型；第三种也是把钢筋和混凝土包含在一个单元之中，但它是统一考虑钢筋和混凝土的作用，称为整体式模型。
本模型选用ANSYS中的Solid65号单元（见图2）。该单元为8节点单元，单元的每个节点有三个方向的自由度(Ux,Uy,Uz) ,主要用于三维模拟和钢筋混凝土建模。该单元可以在受拉时达到一定的强度后发生开裂现象，而当单元承受的压应力超过其抗压强度时单元会被压碎，单元的抗拉，抗压的强度值可以在单元实体特性的材料性能表中定义。另外，Solid65号混凝土单元至少可以定义三种不同规格的钢筋，除了增加特别的断裂和压碎功能外，最重要的方面是对非线性材料性质的处理，应用此单元所建立的混凝土模型具有断裂(沿三个正交方向)压碎，塑性变形和蠕变功能。
一般混凝土构件是三维方向的结构，由于梁是杆件体系细长结构，于是可以忽略横截面两方向的变形，主要考虑沿梁长度方向的伸缩变形。在本例中，没有考虑钢筋混凝土之间的粘结滑移性能，将钢筋与混凝土视为完全固结。计算模型的几何尺寸与实际工程相同，梁的尺寸为7500mm ×240mm ×700mm,钢筋配置如图1示。其中纵向钢筋采用II级钢筋，箍筋采用I级钢筋。约束情况：两端固定。
图2:Solid65—3D钢筋混凝土单元
2.2材料性质
混凝土计算参数输入见表一，钢材计算参数输入见表二。
表一: 混凝土材料输入参数一览表
表二: 混凝土材料输入参数一览表
2.3计算结果分析
检查计算分析结果使用ANSYS程序的两个后处理器，即通用后处理器POST1和时间历程后处理器POST26。本例应用POST1检查求解阶段的模型结果。
由分析结果可以知道实践证明，当温度变化较大时会产生很大的变形量,这种变形受到约束，必然在混凝土内部产生内应力。其中，混凝土热胀变形产生压应力，混凝土冷缩变形则产生拉应力。又由于混凝土抗拉强度较底，当其内部的拉应力超过其抗拉强度时，混凝土产生的裂缝便称为截面均匀温度裂缝。温度应力是产生裂缝的主要因素之一。
构件自身的变形在没有外力约束时，构件会产生自由的膨胀和收缩。当构件在自变作用下受到遇阻或约束就等于受到外来阻力，在这种阻力的强迫作用下所产生的变化，就是迫变。
迫变来自外力，表现在与力的垂直面上，当某一截面的张拉迫变足够大，裂缝立即在这截面上产生。迫变有严格的方向性，相应裂缝也有严格的方向性，因此所有裂缝的形成和产生，都有规律性可循，决不是杂乱无章。根据裂缝是何时产生及形成如何，即可反求出迫变是何时足够大及方向如何，也就是裂缝的产生原因。本例所述的几种因素是相互联系，相互制约的。
3 结论：
3.1 钢筋混凝土梁在高温环境下，由于不同的工程状况而约束了混凝土材料热膨胀的发展，在受压区会产生裂缝。
3.2 值得注意的是：产生裂缝的原因有多种，一个工程的裂缝并不是单纯由一种因素产生，因此我们在分析裂缝时应该对各种原因一一分析综合考虑。
3.3 在工业建筑设计中，对各类的厂房的工作状况应进行充分的考虑，特别是温度的影响应有足够的重视。
参考文献：
过镇海，时旭东. 钢筋混凝土的高温性能及其计算. 北京：清华大学出版社. 2003
吕西林，金国芳，吴晓涵. 钢筋混凝土结构非线性有限元理论与应用. 上海：同济大学出版社. 1997.72
中华人民共和国建设部.混凝土结构设计规范GB50010-2002.北京:中国建筑工业出版社.2002
袁海庆,蒋沧如.有限单元法的理论与工程应用.武汉:武汉工业大学出版社.1997
王国强.实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践.西安:西北工业大学出版社.1999
孔祥谦.热应力有限单元法分析.上海:上海交通大学出版社.1999