基于建筑信息化的鋼筋混凝土梁受力性能有限元分析

楊奔

（北海職業學院）

0 前言

鋼筋和混凝土是當前使用最多的建筑材料。鋼筋混凝土梁在房屋建筑工程、橋梁工程等實際工程中被廣泛使用。而在實際工程中，有的梁因為受力復雜、局部應力集中等原因導致梁結構局部發生破壞。因此，需要對鋼筋混凝土梁的受力性能進行分析。而基于建筑信息化的有限元分析方法是當前用得比較多、成本比較低、可靠性比較強的分析方法。基于建筑信息化的有限元分析方法，是依據建筑構件的實際尺寸信息，在有限元軟件中建立建筑構件的有限元模型對建筑構件的抗拉、抗彎、抗剪等受力性能進行有限元仿真模擬。清華大學的陸新征、香港理工大學的滕錦光等學者都先后對鋼筋混凝土梁受力性能有限元分析進行了研究。目前對鋼筋混凝土梁受力性能的有限元分析，很多是將混凝土梁簡化為面單元、將鋼筋簡化為線單元進行二維分析，這種分析方法可以節約有限元分析計算資源，但因未充分考慮鋼筋混凝土梁材料的橫向連接而使得有限元分析結果與實際鋼筋混凝土梁的試驗結果有一定差異。隨著計算機性能的提升，使得對鋼筋混凝土梁進行三維精細化分析成為可能。本文以常規鋼筋混凝土梁為例，主要對鋼筋混凝土梁受力性能進行有限元分析。鋼筋混凝土梁的主要尺寸如圖1 所示。

圖1 鋼筋混凝土梁主要尺寸

1 鋼筋混凝土梁有限元模型的建立

1.1 鋼筋混凝土梁有限元模型的建立

采用有限元軟件，參照實際鋼筋混凝土梁建立一個如圖1 所示尺寸的鋼筋混凝土梁有限元模型，在鋼筋混凝土梁有限元模型中，鋼筋混凝土梁的總長度為2500mm，總寬度為150mm，總高度為300mm。其中，鋼筋混凝土梁中混凝土的材料特性為：彈性模量E混為3.25×1010N/m2，泊松比為0.2，抗壓強度fc為2.4×107N/m2，抗拉強度ft為2.4×106N/m2，混凝土材料采用混凝土塑性損傷模型進行有限元分析；鋼筋的材料特性：彈性模量E鋼為1.9×1011N/m2，泊松比為0.3，屈服強度f屈為2.1×108N/m2，鋼筋材料采用桁架單元進行有限元分析。

1.2 荷載的施加及網格的劃分

鋼筋混凝土梁有限元模型采用位移控制施加荷載。

進行鋼筋混凝土梁有限元模型網格劃分時，網格單元采用六面體單元，網格近似全局尺寸為10mm。

2 鋼筋混凝土梁受力性能有限元分析

鋼筋混凝土梁有限元模型受載后的加載曲線及損傷云圖如圖2 所示。為了比較好呈現受載后鋼筋混凝土梁的內部、外部受力性能，受載后的鋼筋混凝土梁有限元模型損傷云圖采用局部剖視法進行呈現。

圖2 鋼筋混凝土梁有限元模型受載后的加載曲線及損傷云圖（局部剖視）

對鋼筋混凝土梁有限元模型的受力性能進行分析，并與相關研究進行對比，可以得出以下分析結果：

⑴受載后，受拉應力損傷首先在鋼筋混凝土梁的跨中部位出現，這是由于鋼筋混凝土梁跨中部位受剪力作用引起的；

⑵隨著荷載的增大，受拉應力損傷開始在加載點附近部位出現，并逐漸增大，加載點附近部位出現細小彎曲裂縫，這是由于鋼筋混凝土梁加載點附近部位受剪力和彎矩多重作用引起的；

⑶隨著荷載的進一步增大，加載點附近部位的受拉應力損傷（彎曲裂縫）越來越多、越來越密集，細小彎曲裂縫逐漸發展為大裂縫并逐漸向跨中部位延伸；

⑷荷載接近極大值時，鋼筋混凝土梁的跨中的梁頂部位出現受壓應力損傷，彎曲裂縫進一步變粗；

⑸荷載到達極大值時，鋼筋混凝土梁斷裂。

3 結語

本文主要從鋼筋混凝土梁有限元模型的建立、鋼筋混凝土梁受力性能有限元分析等方面，對鋼筋加固混凝土梁有限元模型的受力性能進行了研究，為相關的工程技術人員人員提供一定的參考。