钢筋混凝土梁有限元模型的建立与分析

　　摘要：钢筋和混凝土是当前使用最多的建筑材料。钢筋混凝土梁被广泛使用。基于建筑信息化的有限元分析方法，能够对钢筋混凝土梁的抗拉、抗弯、抗剪等受力性能进行仿真模拟分析。本文主要从钢筋混凝土梁有限元模型的建立、钢筋混凝土梁受力性能有限元分析等方面，对钢筋加固混凝土梁有限元模型的受力性能进行了研究，为相关的工程技术人员人员提供一定的参考。

　　关键词：建筑信息化; 钢筋混凝土梁受力性能; 有限元分析;

　　0前言

　　钢筋和混凝土是当前使用最多的建筑材料。钢筋混凝土梁在房屋建筑工程、桥梁工程等实际工程中被广泛使用。而在实际工程中，有的梁因为受力复杂、局部应力集中等原因导致梁结构局部发生破坏。因此，需要对钢筋混凝土梁的受力性能进行分析。而基于建筑信息化的有限元分析方法是当前用得比较多、成本比较低、可靠性比较强的分析方法。基于建筑信息化的有限元分析方法，是依据建筑构件的实际尺寸信息，在有限元软件中建立建筑构件的有限元模型对建筑构件的抗拉、抗弯、抗剪等受力性能进行有限元仿真模拟。清华大学的陆新征、香港理工大学的滕锦光等学者都先后对钢筋混凝土梁受力性能有限元分析进行了研究。目前对钢筋混凝土梁受力性能的有限元分析，很多是将混凝土梁简化为面单元、将钢筋简化为线单元进行二维分析，这种分析方法可以节约有限元分析计算资源，但因未充分考虑钢筋混凝土梁材料的横向连接而使得有限元分析结果与实际钢筋混凝土梁的试验结果有一定差异。随着计算机性能的提升，使得对钢筋混凝土梁进行三维精细化分析成为可能。本文以常规钢筋混凝土梁为例，主要对钢筋混凝土梁受力性能进行有限元分析。钢筋混凝土梁的主要尺寸如图1所示。

　　图1 钢筋混凝土梁主要尺寸   

　　1 钢筋混凝土梁有限元模型的建立

　　1.1 钢筋混凝土梁有限元模型的建立

　　采用有限元软件，参照实际钢筋混凝土梁建立一个如图1所示尺寸的钢筋混凝土梁有限元模型，在钢筋混凝土梁有限元模型中，钢筋混凝土梁的总长度为2500mm，总宽度为150mm，总高度为300mm。其中，钢筋混凝土梁中混凝土的材料特性为：弹性模量E混为3.25×1010N/m2，泊松比为0.2，抗压强度fc为2.4×107N/m2，抗拉强度ft为2.4×106N/m2，混凝土材料采用混凝土塑性损伤模型进行有限元分析；钢筋的材料特性：弹性模量E钢为1.9×1011N/m2，泊松比为0.3，屈服强度f屈为2.1×108N/m2，钢筋材料采用桁架单元进行有限元分析。

　　1.2 荷载的施加及网格的划分

　　钢筋混凝土梁有限元模型采用位移控制施加荷载。

　　进行钢筋混凝土梁有限元模型网格划分时，网格单元采用六面体单元，网格近似全局尺寸为10mm。

　　2 钢筋混凝土梁受力性能有限元分析

　　钢筋混凝土梁有限元模型受载后的加载曲线及损伤云图如图2所示。为了比较好呈现受载后钢筋混凝土梁的内部、外部受力性能，受载后的钢筋混凝土梁有限元模型损伤云图采用局部剖视法进行呈现。

　　图2 钢筋混凝土梁有限元模型受载后的加载曲线及损伤云图（局部剖视）   

　　对钢筋混凝土梁有限元模型的受力性能进行分析，并与相关研究进行对比，可以得出以下分析结果：

　　⑴受载后，受拉应力损伤首先在钢筋混凝土梁的跨中部位出现，这是由于钢筋混凝土梁跨中部位受剪力作用引起的；

　　⑵随着荷载的增大，受拉应力损伤开始在加载点附近部位出现，并逐渐增大，加载点附近部位出现细小弯曲裂缝，这是由于钢筋混凝土梁加载点附近部位受剪力和弯矩多重作用引起的；

　　⑶随着荷载的进一步增大，加载点附近部位的受拉应力损伤（弯曲裂缝）越来越多、越来越密集，细小弯曲裂缝逐渐发展为大裂缝并逐渐向跨中部位延伸；

　　⑷荷载接近极大值时，钢筋混凝土梁的跨中的梁顶部位出现受压应力损伤，弯曲裂缝进一步变粗；

　　⑸荷载到达极大值时，钢筋混凝土梁断裂。

　　3 结语

　　本文主要从钢筋混凝土梁有限元模型的建立、钢筋混凝土梁受力性能有限元分析等方面，对钢筋加固混凝土梁有限元模型的受力性能进行了研究，为相关的工程技术人员人员提供一定的参考。

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