基于ANSYS钢筋混凝土梁开裂有限元模拟研究

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)

摘　要:由于裂缝的存在使得对钢筋混凝土梁的分析变得非常复杂,以ANSYS有限元分析软件为基

础,模拟了钢筋混凝土梁自开始受荷直到破坏的全过程,分析了裂缝的形成和发展机理,确定了开裂荷载、破坏荷载等钢筋混凝土结构的重要特性,为设计提供可靠依据。关键词:裂缝;钢筋混凝土梁;ANSYS;有限元中图分类号:TU528　文献标识码:B　文章编号:1004—5716(2007)12—0231—03

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]。

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。

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。SOLID65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功能,通过设定REBAR的参数来控制钢筋混凝土中钢筋的数量与方位的。LINK8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-∑V}[D]+∑ViR[Dr]j

i=1

i=1

Nr

R

i

c

Nr

(1)

式中:Nr———加固物(钢筋)的数目;

ViR———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:

E[Dc]=

(1+v)(1-2v)

(1-v)vv000

v(1-v)v000

vv(1-v)000

000(1-2v)200

0000(1-2v)20

00000(1-2v)2

(2)

式中:[Dr]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,

232　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　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:

Er1000000Er2000000Er3000

(3)[D󰁫c]=

000β001G0000β02G00000β3G式中:Eri———开裂方向的弹性模量,这里取Eri=10-4×E。

混凝土开裂以后,材料内部已经受到损伤,如果再次受压其强度将会降低。若不考虑开裂后混凝土强度的降低,将高估结构的刚度。尤其是在以剪切为主的结构中,不计开裂后混凝土受压强度的降低,将使计算得到的极限荷载明显加大。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]。

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

钢筋混凝土试件截面b×h=20×10cm,跨径300cm;上部配筋2×󰂡12mm,Agc=2.26cm2;下部配筋4×󰂡12mm,Agc=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。

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

钢筋混凝土试件开裂与破坏时对应的荷载

跨中梁底开裂

4.74.8

(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。

参考文献:

[1]　沈聚敏,王传志,江见鲸.钢筋混凝土有限元与板壳极限分

荷载P(kN)本文计算值文献[5]试验值

梁侧开裂

7.98.0

压碎破坏

17.417.6

析[M].1版.北京:清华大学出版社,1991.

[2]　郝文化.ANSYS土木工程应用实例[M].1版.北京:中国

5结论

水利水电出版社,2005.[3]　韩晓凤,张伟,杨智.大型有限元软件在分析钢筋混凝土结

2332007年第12期　　　　　　　　　　　　　　　西部探矿工程　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

图2　钢筋混凝土梁有限元模型图3　钢筋混凝土试件荷载-挠度曲线

构方面的应用与评述[J].东南大学学报(自然科学版),

2002.

[4]　董哲仁.钢筋混凝土非线性有限元法原理与应用[M].北

京:中国铁道出版社,1993.

[5]　刘效尧,蔡键,刘晖.桥梁损伤诊断[M].1版.北京:人民交

通出版社,2002.

(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。

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

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

(1)软弱地基路段预压时间不够,工后沉降过大,路面产生较大的不平整和横向裂缝,路基压实度不够和地基处理不当,引起路面产生较多纵向裂缝。

(2)雨水进入面层引起面层网裂、变形和局部松散形成坑;雨水透过面层滞留在基层顶面,基层质量不好引起冲刷唧浆、网裂、变形和坑槽。

(3)沥青混合料矿料级配不佳,沥青用量不稳定,以及混合料摊铺和碾压中施工缺陷,使路面产生裂缝、泛油现象等。

(4)路面技术是应用科学,施工中的问题有待我们去攻克;路面工程是工艺工程,建设中来不得半点疏忽和取巧,路面使用的实际寿命将为我们的工程质量打出最终评分。2.4.2