ANSYS-WB钢筋混凝土建模与计算

对于钢筋混泥土的建模方法，一直是一个难点。在Workbench 19版本之前，通过插入命令流方式设置Solid65单元。但是在Workbnech 20版本之后，不再支持一些老单元的调用，Solid65自然也不能在WB中使用了，但是可以直接通过Solid185/186单元直接模拟混凝土。

创建钢筋混凝土模型有几种思路。

全实体建模：大家最容易想到的思路是在混凝土中挖空填充钢筋实体模型，然后通过实体单元的共节点或绑定接触建立钢筋与混凝土的关系，但是这种建模方式太费力，光是想想都会头痛。

实体+杆梁耦合建模：很多工程师使用实体单元模拟混凝土（不挖空），用杆/梁单元模拟钢筋，在WB中使用绑定方法让两种单元强制接触。这种办法也是B站很多UP主使用的办法。但是这个办法有一个缺陷，就是梁与实体的绑定接触必须设置接触球半径，设置太小容易接触失败无法计算，设置太大可能造成结果不准确，设置为多大没有文献可以参考。

加强筋建模方法：CAD建模过程与实体+杆梁耦合建模相同，即将混泥土创建为实体（不挖空），钢筋创建为梁单元。在WB-Mechanical中将所有梁单元设置为强化(reinforcement)，此时梁单元便转换为了REINF264加强筋单元，钢筋与混凝土之间无需设置绑定便可计算。这一改进大大减化了工程师的操作难度，这也是官方推荐的方法。

实体单元中穿插的REINF264单元如下示意图。此方法也并不是没有缺点，比如无法查看钢筋的计算结果。

此外，如果计算类型是显式动力学分析，无需通过几何处理，直接通过接触中的定义，也可以定义加强筋的接触关系。

本文通过一个简单的例子来进行建模与分析。

Step1 创建模型。

创建WB静力学项目。

先在Spaceclaim中创建钢筋模型包括4根2000mm长，直径20mm的主筋，和间隔100mm的直径未10mm的箍筋。

抽取所有钢筋轴线，如果发现箍梁转折处有间隙或交叉，只需要通过SCDM准备标签下的连接工具处理一下便可。

再创建包围钢筋的2100x280x280的混凝土。

Step2 材料设置。

本文仅演示线性计算。进入WB材料库，添加一般材料——混凝土。

进入Mechanical，给长块赋予混凝土材料，其余默认结构钢。

将所有钢筋设置为加强模式（即加强筋）。

Step3 接触关系。

实际工程中，主筋与箍筋是用钢丝或焊接方法绑定在一起的，所以创建主筋与箍筋紧之间的绑定接触，接触球半径必须大于两者梁线的垂直距离。

这里需要注意，不创建此处绑定也能准确计算，是因为浇灌混凝土后，主筋与箍筋都耦合到了实体单元上，但是作者还是推荐进行此步设置（满足现实工程的逻辑）。

Step4 网格划分。

将所有模型划分为80mm的网格。

Step5 边界条件。

固定一端，另一端施加1000N横向力。

Step6 求解。

在结果中插入总变形，等效应力等。求解如下图。

说明：本文仅仅是简单计算，如果要进行钢筋混凝土的开裂等非线性计算，应该使用屈服准则（如Menetrey WIllam Concrete或Pruckpe-Prager Concrete）+软化准则（如HSD2或HSD6）等本构。由于图惜不是做土木工程的，对这方面知之甚少，所以本文仅仅是抛砖引玉，敬请批评指正。

祝万事顺遂。