基于ANSYS钢筋混凝土梁开裂有限元模拟研究

利用大型有限元分析软件 ANSYS 模拟钢筋混凝 土梁自开始受荷直到破坏的全过程 , 分析裂缝的形成和 发展机理 , 确定结构的开裂荷载 、破坏荷载等结构的重 要特性 , 为设计提供可靠依据 。 2 钢筋混凝土梁有限元模拟方法
有限元模拟钢筋混凝土构件时 , 根据对钢筋处理方 式的差异 , 主要分为分离式与分布式两种模型 。分离式 模型是将混凝土与钢筋各自划分为足够小的单元 , 按照 混凝土与钢筋不同的力学性能 , 选择不同的单元形式 。 分布式模型也称均布式模型 , 它将混凝土与钢筋假定为 混合在一起的各向同性材料 。 分离式模型与分布式模 型各有优缺点 , 分离式模型考虑了钢筋和混凝土之间的 粘结和滑移的实际情况 , 所得结果较为真实可靠 , 但对 它模拟时处理过程较为繁琐 , 当混凝土中的钢筋较多时 尤为如此 , 而且在求解时不易收敛 。分布式模型所得的 结果与实际情况不符 , 所以较为粗略 , 但它的建模过程 相对简单 , 而且求解易于收敛 。 鉴于此 , 对于一些准确 性要求相对较低的定量分析问题或一些定性分析问题 都可采用分布式模型 , 而对一些准确性要求较高的定量 分析问题则要采用分离式模型 。
功能 , 通过设定 REBA R 的参数来控制钢筋混凝土中钢 筋的数量与方位的 。 LIN K 8 是一种三维杆单元[ 2] 。
SOLID65 单元应力应变关系的总刚度矩阵表达式 为:
[ D]
={1
Nr
-∑V i=1
iR}[ D
c]
Nr
+∑V i=1
R i
[
Dr ]
j
式中 :N r ———加固物(钢筋)的数目 ;
1 概述 钢筋混凝土结构问世已有 100 多年 , 由于它的经济
性 , 耐久性 , 整体性 , 可模性以及耐火性使它在世界各国 的土木工程中得到了广泛的应用 。钢筋混凝结构是由 钢筋和混凝土这两种性质迥异的材料组合而成的 , 混凝 土性质复杂 , 应力应变关系是非线性的 , 在复杂应力条 件下的本构关系仍不十分清楚 , 普遍适用的强度理论也 未建立 , 钢筋与混凝土之间的粘结关系性质也很复杂 。 同时混凝土杭拉强度很低 , 在通常情况下钢筋混凝土结 构总是带裂缝工作的 , 由于以上因素使得对钢筋混凝结 构的有限元分析变得十分困难[ 1] 。
(上接第 230 页) 不足 。有的即使采用了抗剥落剂 , 但质量甚差 , 尤其是 许多胺类的抗剥落剂 , 一般温度 100 ℃以上就会分解 、 挥发 , 使用了抗剥落剂 , 但质量的工程照样发生水损害 破坏 。采用与沥青粘附性不好的酸性集料 , 首先应考虑 使用效果较好的消石灰作为改善粘附性的措施 。
钢筋 混 凝 土 试件 截 面 b ×h =20 ×10cm , 跨 径 300cm ;上部配筋 2 × 12mm , A gc =2 .26cm2 ;下部 配 筋 4 × 12m m , A gc =4 .52cm2 ;每隔 20cm 配箍筋 , 如图 1 所示 。 本文利用 ANSYS 建立了钢筋混凝土梁 的空 间有限元模型 , 如图 2 ～ 图 3 所示[ 5] 。 在本计算中 , 混 凝土采用弹塑性本构关系 , 并利用 W -W 破坏准则检 查混凝土的开裂和压碎 。
水长期浸入沥青混合料或基层表面 , 难以避免出现 唧浆和坑槽 。 长时间泡水的沥青砼路面的寿命肯定长 不了 。对付水的办法 , 一是封 , 二是排 。建议注意以下 问题 :保证路表水排水顺畅 ;挖方路段的排水往往是薄 弱环节 , 注意边沟的深度不仅要能排水 , 而且路面内部 的水能顺畅排入边沟 ;做好分隔带排水 ;砌筑路肩 、浆砌 挡墙和安装缘石要考虑渗入路面内部的水能排出 ;改进 透层油 , 将面层与基层连接成为一体 , 起到封水作用 。 3 结束语
限荷载明显加大 。 考虑开裂后混凝土强度降低的影响 , 可以通过修正等效单轴应力应变关系来实现[ 3] 。
有限元分析中裂缝的处理方式有离散裂缝模型 、分 布裂缝模型和断裂力学模型 。 离散裂缝模型和分布裂
缝模型各具特点 , 可根据不同的分析目的选择使用 。断
裂力学模型目前尚处于研究之中 。离散裂缝模式假定
利用通用有限元软件 ANSYS 对钢筋混凝土梁进 行分析时 , 在分离式 模型中 , 选择的单 元对象为两种 :
SOLID65 和 LINK8 。 在分布式模型中 , 它所选择的单
元对象只有 SOLID65 。SOL ID65 是三维钢筋混凝土实 体单元 , 能够计算拉裂和压碎 , 并可利用其独特的加筋
2007 年第 12 期 西部探矿工程 2 31
基于 ANSYS 钢筋混凝土梁开裂有限元模拟研究
赵亚敏1 , 唐习龙2
(1 .中南大学土木建筑学院 , 湖南 长沙 410075 ;2 .中山市规划设计院 , 广东 中山 528400)
图 1 钢 筋混凝土试件构造图(单位 :cm)
钢筋混凝土梁全过程的荷载 —挠度曲线如图 4 所 示 , 其受力过程明显可以分为混凝土开裂 、钢筋屈服 、混 凝土压碎破坏几个阶段 。 钢筋混凝土梁的开裂和破坏 时的荷载 P 见表 1 。
表 1 钢筋混凝梁侧开裂 压碎破坏
对钢筋混凝土梁而言 , 当截面开裂以后其抗弯刚度 将随着裂缝的开展而不断变化 。 对钢筋混凝土梁自开 始 、受荷直到破坏的全过程进行模拟能得到钢筋混凝土 梁在弹性阶段的受力性能 、混凝土塑性影响 、裂缝的形 成和发展 、钢筋和混凝土之间的粘结和滑移 、钢筋的屈 服与强化以及混凝土压碎破坏等大量信息 , 从而可以对 这些问题的本质进行全面的分析和研究 , 确定钢筋混凝 土梁的开裂荷载 、破坏荷载等重要特性 。 4 钢筋混凝土梁算例分析
23 2 西部探矿工程 2007 年第 12 期
在正交裂缝模型中发生两次开裂后在局部坐标系下本
构矩阵为 :
Er1 0 0 0 0 0
0 Er2 0 0 0 0
[ Dc] = 0 0
0 Er3 0 0 0 β1G
0 0
0 0
(3)
0 0 0 0 β2G 0
(1)
V
R i
——— 加 固 的 体 积 率
,
亦可以理解为钢筋的配筋
率;
[ Dc] ———混凝土的刚度 矩阵 , 是通 过在各向同 性
材料种插入各向异性的应力应变关系而得到的 , 可以表
示为 :
[
Dc]
=(1
E +v)(1
-2 v)
(1 -v) v
v
0
0
0
v (1 -v) v
0
0
0
v
v (1 -v) 0
0
0
0
0
0
(1 -2v) 2
0
0
0
0
0
0
(1 -2v) 2
0
0
0
0
0
(1 -2v)
0
2
(2) 式中 :[ D r] i ———第 i 个加固物(钢筋)的刚度矩阵 。 3 裂缝的机理及在有限元模拟中的处理方式
开裂后混凝土在裂缝方向无泊松效应 , 材料变为各
向异性 , 以开裂时的主应力方向为材料各向异性主轴 ,
追求平整度和担心构造深度使压实受到影响 。 应 该明确 , 平整度固然重要 , 但压实度更重要 , 必须在确保 平整度的情况下提高压实度 。 现行规范规定的压实度 标准偏低 , 建议提高 1 %～ 2 %, 以减小空隙率 , 减少水 损害破坏 。 2 .4 .4 减少集料离析
施工所使用的材料的变异性大 , 材料来源杂 , 质量不 稳定 , 使级配经常发生变化 , 往往达不到设计配合比的要 求 , 以及粗集料粒径偏大都容易引起集料离析 , 形成局部 区域空隙过大 , 成为透水 、积水和积浆场所 , 易造成沥青 与集料剥离 。因此 , 应严格控制砂石材料的质量 。 2 .4 .5 做好路面排水和封水
裂缝位于单元之间 , 将节点分离在裂缝两侧 。 该模式可
在梁中预先确定裂缝位置 , 并假定梁为线弹性体 , 裂缝
沿相邻单元边界开裂 , 在裂缝 两侧单元边界各设置节 点 。 目的是在已知裂缝位置和方向后 , 算出构件中混凝
土应力 、钢筋应力及粘结应力 。用来分析承受相同荷载 的同一根梁在不同裂缝情况下的应力状态 , 对比不同裂 缝情况下应力状态的差别 , 从而可知各种裂缝对内力的 影响 。随着计算速度和网格自动划分的快速实现 , 离散 裂缝模型有被推广使用的趋势 。 采用离散裂缝模型进 行钢筋混凝土非线性有限元分析时 , 必须确定混凝土的 开裂准则 , 处理好混凝土的受拉劲化效应及裂缝面上剪 力传递模式[ 4] 。
本文计算值
4 .7
7 .9
17 .4
文献[ 5] 试验值
4 .8
8 .0
17 .6
5 结论
(1)随着计算机技术和数值分析方法的发展 , 钢筋混 凝土结构的分析会越来越多地借助于有限元分析软件 , 深 入了解软件采用的理论框架和数值分析方法很有必要。
(2)熟练掌握有限元分析软件 , 正确地对钢筋混凝 土梁开裂问题进行模拟与分析 , 可以加快设计计算的进 度 , 为设计提供可靠的依据 。
2 .4 .2 选择矿料级配 根据研究 , 沥青路面的空隙率在 8 %(相当于 设计
空隙率 4 %, 压实度 96 %)以下时 , 不容易造成水损害破 坏 。 而排水性混合料的路面空隙率大于 15 %时 , 一般 都采用改性沥青 , 水能够在空隙中自由流动 , 不容易造 成水损害破坏 。当路面实际空隙率为 8 %～ 15 %时 , 水 容易进入混合料内部 , 荷载作用下易产生较大的毛细压 力成为动力水 , 易造成沥青混合料的水损害破坏 。要控 制好空隙率 , 必须认真选择矿料级配 , 在普通的密级配 沥青混合料的矿料级配上下功夫 。 2 .4 .3 加强压实
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图 2 钢筋混凝土梁 有限元模型