基于有限元分析的鋼筋混凝土信息化模型主要參數(shù)設(shè)置淺析

楊奔

（北海職業(yè)學(xué)院）

0 前言

鋼筋混凝土是現(xiàn)階段建筑行業(yè)用得最廣泛的建筑材料之一。鋼筋混凝土自身整體性能及混凝土與鋼筋之間的接觸界面性能是影響建筑結(jié)構(gòu)的承載力、耐久性等建筑整體性能的關(guān)鍵因素之一。因此，很多建筑（特別是大型建筑）在砌筑前都要進(jìn)行混凝土試驗(yàn)以保證其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及建筑安全。 但是對(duì)于大型建筑，采用現(xiàn)場(chǎng)混凝土試驗(yàn)的方法對(duì)所用混凝土進(jìn)行力學(xué)性能的驗(yàn)證，不僅耗費(fèi)一定的建筑材料，還難以對(duì)建筑的整體力學(xué)性能進(jìn)行驗(yàn)證。隨著電子計(jì)算機(jī)性能的逐步提高，采用高性能計(jì)算機(jī)對(duì)建筑進(jìn)行信息化仿真，進(jìn)而通過(guò)有限元分析建筑結(jié)構(gòu)的整體及局部性能變得可行。近年來(lái)，很多學(xué)者對(duì)鋼筋混凝土材料力學(xué)性能的有限元分析進(jìn)行了大量研究。香港理工大學(xué)的滕錦光、清華大學(xué)的陸新征等學(xué)者都先后對(duì)鋼筋混凝土材料力學(xué)性能的有限元分析進(jìn)行了研究并提出了相應(yīng)的二維公式參數(shù)。鋼筋混凝土材料力學(xué)性能的二維有限元分析可以在一定程度上節(jié)約有限元分析計(jì)算資源，但是，因?yàn)閷?shí)際的建筑結(jié)構(gòu)都是三維的，因此鋼筋混凝土材料力學(xué)性能的二維有限元分析結(jié)構(gòu)與實(shí)際鋼筋混凝土試驗(yàn)結(jié)果有一定差異。本文以常規(guī)鋼筋混凝土梁為例，分析常規(guī)鋼筋混凝土有限元模型關(guān)鍵參數(shù)如何設(shè)置。

1 鋼筋混凝土有限元模型中關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)置

以總長(zhǎng)度為2500mm、總寬度為150mm、總高度為300mm 的鋼筋混凝土梁為例進(jìn)行分析。

1.1 基本參數(shù)的設(shè)置

在有限元軟件中，參照實(shí)際鋼筋混凝土梁建立一個(gè)如圖1 所示尺寸的鋼筋混凝土梁有限元模型，鋼筋混凝土梁的總長(zhǎng)度取2500mm，總寬度取150mm，總高度取300mm。

圖1 鋼筋混凝土梁的主要尺寸

1.2 混凝土材料參數(shù)的設(shè)置

鋼筋混凝土梁有限元模型中混凝土材料采用混凝土塑性損傷模型進(jìn)行有限元模擬。參照實(shí)際鋼筋混凝土梁的相關(guān)參數(shù)，鋼筋混凝土梁有限元模型中混凝土材料的彈性模量E混取3.25×1010N/m2，泊松比取0.2，抗壓強(qiáng)度f(wàn)c取2.4×107N/m2，抗拉強(qiáng)度f(wàn)t取2.4×106N/m2。

1.3 鋼筋材料參數(shù)的設(shè)置

因?yàn)殇摻畈牧蠈儆诟飨蛲圆牧希忆摻畹拈L(zhǎng)度尺寸遠(yuǎn)大于其截面尺寸，因此，在鋼筋混凝土梁有限元模型中鋼筋材料可采用桁架單元進(jìn)行有限元仿真模擬，參照實(shí)際鋼筋混凝土梁的相關(guān)參數(shù)，鋼筋混凝土梁有限元模型中鋼筋材料的彈性模量E鋼取1.9×1011N/m2，泊松比取0.3，屈服強(qiáng)度f(wàn)屈取2.1×108N/m2。

1.4 鋼筋材料與混凝土材料之間連接參數(shù)的設(shè)置

在鋼筋混凝土梁中，因?yàn)殇摻畋砻鎺Ю撸还饣虼虽摻钔ㄟ^(guò)其表面的肋加強(qiáng)與混凝土之間的連接進(jìn)而防止加載時(shí)鋼筋被拔出，鋼筋通過(guò)其表面的肋使混凝土與鋼筋形成一個(gè)整體共同受力。在鋼筋混凝土梁受彎時(shí)，可看成混凝土與鋼筋形變一致。因此，在鋼筋混凝土梁有限元模型中，鋼筋材料與混凝土材料之間連接可采用“約束”設(shè)置中的“內(nèi)置區(qū)域”類(lèi)型進(jìn)行仿真模擬，將全部縱筋和箍筋固結(jié)為一個(gè)整體桁架后作為內(nèi)置區(qū)域，將混凝土梁作為外置區(qū)域，通過(guò)“內(nèi)置區(qū)域”類(lèi)型進(jìn)行約束時(shí)，權(quán)系數(shù)舍入誤差可設(shè)為1×10-6，容差方法選“兩種”，分別為：絕對(duì)外部容差取0、外部百分比容差取5%。

1.5 模型加載參數(shù)及網(wǎng)格化參數(shù)的設(shè)置

為了避免鋼筋混凝土梁有限元模型加載時(shí)加載點(diǎn)應(yīng)力集中，在兩個(gè)加載點(diǎn)處和兩個(gè)支座處各加上一塊鋼墊塊且將鋼墊塊與鋼筋混凝土梁之間進(jìn)行綁定約束，在兩個(gè)加載點(diǎn)與鋼墊塊之間及兩個(gè)支座與鋼墊塊之間采用耦合越蘇，對(duì)鋼筋混凝土梁有限元模型采用位移控制施加荷載。

對(duì)鋼筋混凝土梁有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，混凝土材料網(wǎng)格單元采用六面體單元進(jìn)行劃分，鋼筋材料網(wǎng)格單元采用線性桁架單元進(jìn)行劃分，網(wǎng)格近似全局尺寸為10mm。

參照以上方法設(shè)置好鋼筋混凝土梁有限元模型中各材料參數(shù)后，對(duì)鋼筋混凝土梁有限元模型進(jìn)行有限元仿真分析，其損傷云圖如圖2 所示。

圖2 鋼筋混凝土梁有限元模型受載后的損傷云圖

2 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)鋼筋混凝土信息化模型主要參數(shù)設(shè)置進(jìn)行了研究，為對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的有限元分析提供一定的參考。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件的進(jìn)一步升級(jí)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的有限元模型精細(xì)化程度將越來(lái)越高，在未來(lái)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的有限元模型分析結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果將越來(lái)越接近，有限元分析在建筑行業(yè)中將得到進(jìn)一步的應(yīng)用。