鋼筋混凝土簡支梁豎向位移有限元分析

敖德金 秦成輝

(1.廣西住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳培訓(xùn)中心(廣西建設(shè)執(zhí)業(yè)資格注冊中心)，廣西 南寧 530028； 2.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

0 引言

混凝土是由水泥、砂子、石子添加劑用水拌和后經(jīng)養(yǎng)護硬化的一種非勻質(zhì)建筑材料?；炷两M成材料具有復(fù)雜性,力學(xué)性能具有離散性,還與試驗方法，施工條件有關(guān)，與鋼材相比,其勻質(zhì)性比較差[1]?；炷量估豢箟?鋼筋抗拉性能好,彌補了混凝土抗拉性差的缺點。故鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用。土木工程是一門具有很強的實踐性的學(xué)科。在建設(shè)一些大跨度、高聳結(jié)構(gòu)、深海隧道等工程的過程中，往往都具有相當(dāng)?shù)膶嵺`性，工程實踐經(jīng)驗常先行于理論，至今不少工程問題的處理，在很大程度上仍然依靠實踐經(jīng)驗。很多時候工程技術(shù)的發(fā)展過程中工程實踐先于理論，導(dǎo)致該現(xiàn)象主要有兩個原因：首先是工程問題過于復(fù)雜，難以進行試驗，在一些結(jié)構(gòu)中可以進行縮小比例試驗。新理論和技術(shù)必須經(jīng)過工程實踐的檢驗，實踐促進理論的發(fā)展。由于數(shù)值計算具有快速、代價低和易于實現(xiàn)等諸多優(yōu)點，這種分析方法已經(jīng)廣泛用于實際工程中。然而，用有限元軟件盡可能準確地模擬混凝土這種材料是不容易的，國內(nèi)外學(xué)者提出了基于各種理論的混凝土本構(gòu)模型。但是迄今為止，還沒有一種理論被公認為可以完全描述混凝土的本構(gòu)關(guān)系。由于混凝土材料本身具有的復(fù)雜性，在手工操作過程方面質(zhì)量難以控制等缺陷，導(dǎo)致運用有限元軟件模擬混凝土材料時與實際情況有誤差。ABAQUS是大型通用的有限元分析軟件，其在非線性分析方面的巨大優(yōu)勢，獲得了廣大用戶的認可，在結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域的應(yīng)用趨于廣泛[2]。

1 簡支梁ABAQUS建模過程

1.1 建模參數(shù)

以鋼混凝土簡支梁梁試驗?zāi)Ｐ蜑槔?梁截面為2 600 mm×150 mm×300 mm、受壓筋2φ12、受拉筋兩層3φ16、箍筋φ8@100，荷載墊片100 mm×60 mm×150 mm、支座墊片采用尺寸為100 mm×60 mm×150 mm,完全彈性的鋼材，其位置見圖1?；炷翉姸鹊燃壊捎肅25,混凝土參數(shù)見表1。鋼材采用Q235鋼,適筋梁配筋參數(shù)見表2。上墊板尺寸為150 mm×100 mm×60 mm，彈性模量為2.1E12 MPa,泊松比取0.2，支座墊片尺寸為200 mm×150 mm×60 mm，彈性模量為2.1E12 MPa,泊松比取0.2。

表1 混凝土參數(shù)

材料參數(shù)抗壓強度/MPa密度/kg·m-3彈性模量/MPa泊松比抗拉強度/MPa混凝土242 40029 5000.22.4

表2 適筋梁配筋參數(shù)

1.2 混凝土跨中區(qū)拉、壓應(yīng)力與時間的關(guān)系曲線

本實例目的是為了探討鋼筋混凝土簡支梁跨中區(qū)混凝土的下緣拉應(yīng)力和上邊緣壓應(yīng)力與時間的關(guān)系曲線，鋼筋混凝土簡支梁跨中區(qū)混凝土的下緣拉應(yīng)力與時間的關(guān)系曲線見圖2，由圖可知，隨著位移的增加，混凝土拉應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)混凝土拉應(yīng)力達到其最大拉應(yīng)力時，混凝土開裂，其拉應(yīng)力快速下降，因為開裂裂縫不均勻分布，而且裂縫的寬度和間距具有隨機性，還有鋼筋與混凝土在混凝土開裂后還具有粘結(jié)力，故混凝土開裂后，混凝土應(yīng)力不為0。混凝土簡支梁跨中區(qū)混凝土的上緣壓應(yīng)力與時間的關(guān)系曲線見圖3，隨著位移的增加，混凝土壓應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)混凝土壓應(yīng)力達到其最大壓應(yīng)力時，混凝土被壓壞，對比兩圖證明了混凝土抗壓能力比抗拉能力強很多。

2 超筋梁分析

將適筋梁受拉鋼筋由HPB235提高為HRB400，分析步時間長度由500改成400，其他條件不變時，此時就變成了超筋梁。

2.1 超筋梁變形后的模型云紋圖

超筋梁變形后梁的模型云紋圖見圖4，從圖中可以看出超筋梁變形比適筋梁小，簡支梁上表面兩個墊塊之間及墊塊和兩個支座墊塊附近應(yīng)力最大，因為兩個墊塊之間剪力和彎矩都是不變的，所以上表面兩個墊塊之間的變形很小。

2.2 適筋梁變形后的鋼筋骨架

鋼筋骨架的變形和簡支梁的變形類似，見圖5。由于簡支梁下表面跨中部位下表面的混凝土開裂后，不再承受拉力，拉力全部由受拉筋承擔(dān)，因為剪切變形大，發(fā)生剪切變形的部位，鋼筋的應(yīng)力也比較大。

2.3 混凝土跨中區(qū)拉、壓應(yīng)力與時間的關(guān)系曲線

鋼筋混凝土簡支梁跨中區(qū)混凝土的下緣拉應(yīng)力與時間的關(guān)系曲線見圖6，由圖可知，隨著位移的增加，混凝土拉應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)混凝土拉應(yīng)力達到其最大拉應(yīng)力時，混凝土開裂，其拉應(yīng)力快速下降，混凝土開裂后，裂縫間的混凝土還與受拉縱筋存在粘結(jié)力。因為是超筋梁，跨中部位變形小，隨著位移荷載的增加，支座部位發(fā)生較大的剪切變形，簡支梁上表面之間的變形較小，裂縫間的受拉縱筋變形小，導(dǎo)致混凝土的拉應(yīng)力小，當(dāng)位移荷載進一步增大后，受拉縱筋變形逐漸增加，混凝土拉應(yīng)力也隨之增加。混凝土簡支梁跨中區(qū)混凝土的上緣壓應(yīng)力與時間的關(guān)系曲線見圖7。隨著位移的增加，混凝土壓應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)混凝土壓應(yīng)力達到其最大壓應(yīng)力時，混凝土上表面被壓壞，其壓應(yīng)力逐漸減小，但是混凝土隨著彎曲變形的增加，混凝土還能承受壓應(yīng)力。

3 少筋梁分析

受拉縱筋改為兩根，鋼筋骨架見圖8，少筋梁網(wǎng)格劃分種子布置近似全局尺寸取0.05，其他與適筋梁相同，少筋梁劃分網(wǎng)格后的模型見圖9。

3.1 少筋梁變形后梁的模型云紋圖

少筋梁變形后的云紋圖見圖10，簡支梁少筋破壞變形很大，從圖10可以看出，簡支梁上表面兩個墊塊之間及墊塊附近的應(yīng)力最大。劃分的單元發(fā)生很大的變形，從簡支梁跨中部分下表面一直延伸到上表面。

3.2 少筋梁變形后鋼筋骨架云紋圖

少筋梁變形后鋼筋骨架云紋圖見圖11，鋼筋骨架的變形和簡支梁的變形類似，由于受拉筋只有兩根，受拉筋數(shù)量或者強度不夠，導(dǎo)致少筋破壞。隨著位移荷載的增加，簡支梁變形大，受拉筋進入屈服階段，簡支梁繼續(xù)變形，受拉筋的拉應(yīng)力在屈服階段基本不變，而混凝土受壓區(qū)面積減少，導(dǎo)致受壓區(qū)混凝土壓應(yīng)力大。

3.3 跨中區(qū)受力縱筋拉、壓應(yīng)力與時間的關(guān)系曲線

跨中受拉區(qū)縱筋應(yīng)力—時間關(guān)系見圖12，隨著位移荷載的增加，混凝土受拉后開裂，隨后裂縫處全部拉力由受拉縱筋承擔(dān)，受拉縱筋壓應(yīng)力快速增大，之后受拉縱筋進入屈服階段?？缰惺軌簠^(qū)縱筋應(yīng)力—時間關(guān)系見圖13，隨著位移荷載的增加，受壓區(qū)受壓縱筋隨壓應(yīng)力逐漸增大，但是簡支梁下表面混凝土開裂后變形增加的快，故受壓區(qū)受壓筋的壓應(yīng)力會下降。

4 結(jié)語

本文運用ABAQUS軟件，分別模擬了適筋梁、超筋梁、少筋梁在對稱位移豎向荷載作用下的變形特征及破壞形態(tài)，得到了適筋梁和超筋梁受壓區(qū)和受拉區(qū)混凝土的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，還有少筋梁受拉區(qū)和受壓區(qū)縱筋的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，通過研究分析，得到如下結(jié)論：1)通過觀察，超筋梁的變形最小，支座附近的發(fā)生剪切變形，跨中適筋梁變形次之，未發(fā)現(xiàn)明顯的剪切變形，少筋梁變形最大，跨中部位的單元出現(xiàn)很大的變形。適筋梁介于兩者之間。2)無論是超筋梁、適筋梁還是少筋梁，梁的跨中部位應(yīng)力最大，支座附近應(yīng)力也較大，符合簡支梁的受力情況。