钢筋混凝土结构有限元分析的单元类型与模型选择

通常钢筋混凝土结构有限元分析单元分为两个层次：杆系单元和实体单元。前者着重分析单元力（包括力和弯矩）与位移（包括位移和转角）之间的关系，而后者着重分析单元的应力—应变关系。单元类型的选取应兼顾计算规模、材料模型的精度等多方面的因素。对于全结构规模较大，可将结构离散成杆系单元进行分析。对于复杂区域（梁柱节点）或重要的构件等可将杆系结构体系计算的力和位移施加到实体单元模型上，分析局部应力和应变。在结构分析中应尽可能多地采用三维实体单元模型，力求最大程度的真实模拟实际结构构件。

1.钢筋混凝土结构有限元分析中的模型
钢筋混凝土结构不同于一般均质材料，它是由钢筋和混凝土两种材料构成的，一般钢筋是被包围在混凝土之中，而且相对体积较少，因此建立结构有限元模型需考虑这些特性。构成钢筋混凝土结构的有限元模型主要有以下三类：

1.1 分离式模型
分离式模型把混凝土和钢筋作为不同的单元来处理，即混凝土和钢筋各自被划分为足够小的单元。考虑到钢筋是一种细长材料，通常可忽略其横向抗剪强度。这样，可以将钢筋作为线形单元处理（如ANSYS中的link8单元）。混凝土可采用四面体单元等实体单元（如ANSYS中的solid65单元）。在该模型中，钢筋和混凝土之间可以插入联结单元来模拟钢筋和混凝土之间的粘结和滑移，若钢筋和混凝土之间的粘结很好，不会有相对滑移，则可视为刚性联结，可以不考虑联结单元问题。众所周知，钢筋混凝土是存在裂缝的(否则钢筋难以发挥作用)，而开裂必然导致钢筋和混凝土变形不协调，也就是说必然存在粘结失效和滑移的产生，因此这种模型被广泛的应用。单元刚度矩阵的推导与一般有限元相同。

1.2 组合式模型
组合式模型是假设钢筋以一个确定的角度分布在整个单元中，并假设混凝土与钢筋之间存在着良好的粘结，认为两者之间无滑移。又分为分层组合方式和带钢筋膜的方式等。该单元刚度矩阵推导时分别求出各自的单元刚度，然后组合起来。

1.3 整体式模型
整体式模型是假设钢筋分布于整个单元中，并把单元视为连续均匀材料（如ANSYS中的四面体等实体单元-solid65单元选择混凝土材料时），采用混凝土-钢筋复合的本构关系，把混凝土、钢筋二者的贡献组合起来，一次求得综合的单元刚度矩阵。
后两种模型共同点是它们的单元刚度矩阵都是反映钢筋混凝土的综合刚度。