鋼筋混凝土框架開孔梁受力性能的研究

徐繼承

摘要：隨著中國(guó)城市化進(jìn)程的加快，舊城改造與城中村改造日漸成為了人們關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。70-80年代的低層危舊建筑在陸續(xù)退出歷史舞臺(tái)后，結(jié)合城市總體規(guī)劃逐步由“高樓大廈”所代替，然而，新的建筑結(jié)構(gòu)安全隱患正在悄然無(wú)聲蔓延著，并且有發(fā)展趨勢(shì)——即住房（含保障性住房、商品房）建筑裝飾裝修階段隨意在框架梁上后開孔和開槽現(xiàn)象。通過(guò)采用有限元方法進(jìn)行框架梁后開孔受力分析，對(duì)其開孔前后應(yīng)力變化進(jìn)行對(duì)比，以促進(jìn)建筑裝飾裝修階段對(duì)既有鋼筋混凝土框架梁保護(hù)意識(shí)，確保住房主體結(jié)構(gòu)安全。

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土;開孔梁;應(yīng)力分析

引言

隨著人們物質(zhì)生活水平的不斷提高，對(duì)住宅裝飾裝修美觀性、舒適性提出了更高的要求。同時(shí)，享受型和發(fā)展型商品誕生（即卡式多聯(lián)機(jī)空調(diào)一拖多和空氣能熱水器取代單一的立式（掛式）空調(diào)和電熱水器），也伴隨越來(lái)越多既有建筑在裝飾裝修階段為提高吊頂高度，對(duì)鋼筋混凝土框架梁進(jìn)行開孔，從而使各種管線從梁中孔洞穿過(guò)，換取擠占梁下空間的現(xiàn)象。使得框架梁有效截面減小，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度降低，削弱框架梁的受剪和抗震能力，在裝飾裝修完成后框架承重梁開孔處被吊頂?shù)乃[蔽，即使開孔處出現(xiàn)任何變形或破壞也難以發(fā)現(xiàn)，將給建筑物埋下極大安全隱患。因此，為保證建筑物結(jié)構(gòu)安全可靠，系統(tǒng)的研究混凝土框架梁后開孔的受力特征和抗震性能，顯得極為迫切和重要，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。針對(duì)鋼筋混凝土框架開孔梁的受力性能，國(guó)內(nèi)和國(guó)外學(xué)者開展了大量的理論分析與試驗(yàn)研究[1-6]，并且總結(jié)了許多有實(shí)際意義的結(jié)論，但這些研究都僅集中在簡(jiǎn)支梁為主的開孔梁構(gòu)件的受力機(jī)理的研究上，然而，對(duì)于如何有效地控制既有建筑混凝土框架梁后開孔受力性能的研究相對(duì)較少。

本文利用ABAQUS有限元計(jì)算軟件模擬對(duì)既有建筑鋼筋混凝土框架梁上后開孔不同位置、大小和孔數(shù)的實(shí)際案例進(jìn)行有限元仿真分析，得出不同大小和孔數(shù)的混凝土框架梁后開孔剛度影響程度。以減少采用試驗(yàn)方式高額的試驗(yàn)費(fèi)用、壓縮課題研究時(shí)間和彌補(bǔ)試驗(yàn)結(jié)果離散等系列缺點(diǎn)，還能更加系統(tǒng)的觀測(cè)到變量間的相關(guān)性。將梁開孔前、后的力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行分析，重點(diǎn)研究鋼筋混凝土框架梁端后開不同數(shù)量和大小孔洞后在荷載作用下的受力特征和抗震能力，從而檢驗(yàn)既有建筑主體結(jié)構(gòu)安全性，以供相關(guān)設(shè)計(jì)人員和廣大業(yè)主在今后涉及建筑結(jié)構(gòu)主體安全使用提供參考。

1 有限元分析原理

有限元分析，是利用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進(jìn)行模擬。同時(shí)，利用簡(jiǎn)單而又相互作用的元素（即單元），就可以用有限數(shù)量的未知量去逼近無(wú)限未知量的真實(shí)系統(tǒng)。

有限元分析方法是用相對(duì)簡(jiǎn)單的問(wèn)題代替復(fù)雜問(wèn)題后再對(duì)其分析求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，我們可以假定對(duì)每一單元都有一個(gè)合適的特定解，且是一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的近似解，然后通過(guò)再推導(dǎo)求得其解，最終得出這個(gè)域總的滿足條件（如結(jié)構(gòu)的平衡條件），從而使得復(fù)雜問(wèn)題變成簡(jiǎn)單問(wèn)題。因?yàn)閷?shí)際復(fù)雜難解的問(wèn)題被相對(duì)簡(jiǎn)單的問(wèn)題所代替得到求解，所以這個(gè)可以求得的解是一個(gè)近似的解。

2 有限元分析模型的建立

本模型來(lái)源于溫州市某安置房建設(shè)工程，在竣工驗(yàn)收后，安置戶陸續(xù)拿到房屋鑰匙，開始對(duì)室內(nèi)裝飾裝修。由于目前裝飾裝修通常做法是將水、電、空調(diào)管線敷設(shè)在吊頂內(nèi)，但梁下實(shí)際凈高僅2.5米，鑒于樓層高度限制，相應(yīng)的管線若在梁下敷設(shè)，將導(dǎo)致吊頂高度整體下降，在視覺(jué)上產(chǎn)生壓抑感。因此，為滿足提升吊頂高度需要對(duì)既有混凝土框架梁進(jìn)行開孔，使管線從中穿過(guò)。結(jié)合施工圖設(shè)計(jì)文件得知，框架梁上受力區(qū)域內(nèi)樓面恒荷載取值26.8KN/m2，活荷載取值8.6KN/m2（標(biāo)準(zhǔn)值）。

2.1 材料本構(gòu)及關(guān)系模型

2.1.1 鋼筋的本構(gòu)關(guān)系模型鋼筋混凝土梁主要由鋼筋和混凝土兩種材料組成?；炷恋目箟耗芰^強(qiáng)而抗拉能力很弱，鋼筋的抗拉能力很強(qiáng)的特點(diǎn)，用鋼筋彌補(bǔ)混凝土材料延性和抗拉能力的缺陷。鋼筋混凝土在非線性有限元分析中，鋼筋的本構(gòu)關(guān)系（即應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系模型）采用了描述完全彈塑性的雙直線模型?！痘炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010-2010（2015年版）[7]，附錄C.1.2鋼筋單調(diào)加載的應(yīng)力_應(yīng)變關(guān)系曲線如圖C.1.2所示，其關(guān)系式如式（C.1.2-1）和（C.1.2-2）所示。

2.1.2 混凝土的本構(gòu)關(guān)系模型

在進(jìn)行鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)非線性分析過(guò)程中，合理選擇混凝土本構(gòu)關(guān)系顯得尤為重要。由于不同的本構(gòu)關(guān)系會(huì)導(dǎo)致材料在分析時(shí)產(chǎn)生完全不同的力學(xué)性能，其模型對(duì)分析起到非常重要的作用。由于混凝土自身的復(fù)雜多變性，到目前為止，許多學(xué)者經(jīng)過(guò)大量的研究，得出多種本構(gòu)關(guān)系模型，每種各有自身的特點(diǎn)，對(duì)于常用的本構(gòu)關(guān)系模型可分為四種類型：線彈性模型、非性線彈性模型、塑性理論模型、其他力學(xué)理論模型。由于混凝土材料容易受內(nèi)在和外部因素影響，具有極大的不確定性。因此，每一種本構(gòu)關(guān)系模型都僅表現(xiàn)各自混凝土材料的附加內(nèi)力和變形的程度情況，無(wú)法將混凝土材料的特點(diǎn)全面準(zhǔn)確的體現(xiàn)出來(lái)。《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010-2010（2015年版）[7]，附錄C.2.3鋼筋單調(diào)加載的應(yīng)力_應(yīng)變關(guān)系曲線如圖C.2.3所示，其關(guān)系式如式（C.2.3-1）、（C.2.3-2）、（C.2.3-3）和（C.2.3-4）所示。

混凝土單軸受拉的應(yīng)力-應(yīng)變曲線（圖C.2.3），可按下列左圖公式確定：

混凝土單軸受壓的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可按右圖公式確定：

2.1.3 ABAQUS中混凝土本構(gòu)模型

在ABAQUS有限元分析軟件中有三種混凝土本構(gòu)模型可供選擇，分別為：彌散開裂模型、脆性破裂模型和塑性損傷模型。本文在混凝土本構(gòu)模型時(shí)，選用了塑性損傷模型，計(jì)算模型可模擬混凝土中相關(guān)材料和加載過(guò)程的力學(xué)特性。即混凝土的兩個(gè)失效機(jī)制：一個(gè)是拉伸開裂，另一個(gè)是壓縮破壞。當(dāng)圍壓升至可以抵抗裂縫延展時(shí)，混凝土材料所表現(xiàn)的性能就類似于硬化后的延性材料。