基于建筑信息化的鋼筋混凝土梁受力性能有限元分析

楊奔

（北海職業(yè)學(xué)院）

0 前言

鋼筋和混凝土是當(dāng)前使用最多的建筑材料。鋼筋混凝土梁在房屋建筑工程、橋梁工程等實(shí)際工程中被廣泛使用。而在實(shí)際工程中，有的梁因?yàn)槭芰?fù)雜、局部應(yīng)力集中等原因?qū)е铝航Y(jié)構(gòu)局部發(fā)生破壞。因此，需要對(duì)鋼筋混凝土梁的受力性能進(jìn)行分析。而基于建筑信息化的有限元分析方法是當(dāng)前用得比較多、成本比較低、可靠性比較強(qiáng)的分析方法?；诮ㄖ畔⒒挠邢拊治龇椒ǎ且罁?jù)建筑構(gòu)件的實(shí)際尺寸信息，在有限元軟件中建立建筑構(gòu)件的有限元模型對(duì)建筑構(gòu)件的抗拉、抗彎、抗剪等受力性能進(jìn)行有限元仿真模擬。清華大學(xué)的陸新征、香港理工大學(xué)的滕錦光等學(xué)者都先后對(duì)鋼筋混凝土梁受力性能有限元分析進(jìn)行了研究。目前對(duì)鋼筋混凝土梁受力性能的有限元分析，很多是將混凝土梁簡(jiǎn)化為面單元、將鋼筋簡(jiǎn)化為線單元進(jìn)行二維分析，這種分析方法可以節(jié)約有限元分析計(jì)算資源，但因未充分考慮鋼筋混凝土梁材料的橫向連接而使得有限元分析結(jié)果與實(shí)際鋼筋混凝土梁的試驗(yàn)結(jié)果有一定差異。隨著計(jì)算機(jī)性能的提升，使得對(duì)鋼筋混凝土梁進(jìn)行三維精細(xì)化分析成為可能。本文以常規(guī)鋼筋混凝土梁為例，主要對(duì)鋼筋混凝土梁受力性能進(jìn)行有限元分析。鋼筋混凝土梁的主要尺寸如圖1 所示。

圖1 鋼筋混凝土梁主要尺寸

1 鋼筋混凝土梁有限元模型的建立

1.1 鋼筋混凝土梁有限元模型的建立

采用有限元軟件，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，在鋼筋混凝土梁有限元模型中，鋼筋混凝土梁的總長(zhǎng)度為2500mm，總寬度為150mm，總高度為300mm。其中，鋼筋混凝土梁中混凝土的材料特性為：彈性模量E混為3.25×1010N/m2，泊松比為0.2，抗壓強(qiáng)度f(wàn)c為2.4×107N/m2，抗拉強(qiáng)度f(wàn)t為2.4×106N/m2，混凝土材料采用混凝土塑性損傷模型進(jìn)行有限元分析；鋼筋的材料特性：彈性模量E鋼為1.9×1011N/m2，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度f(wàn)屈為2.1×108N/m2，鋼筋材料采用桁架單元進(jìn)行有限元分析。

1.2 荷載的施加及網(wǎng)格的劃分

鋼筋混凝土梁有限元模型采用位移控制施加荷載。

進(jìn)行鋼筋混凝土梁有限元模型網(wǎng)格劃分時(shí)，網(wǎng)格單元采用六面體單元，網(wǎng)格近似全局尺寸為10mm。

2 鋼筋混凝土梁受力性能有限元分析

鋼筋混凝土梁有限元模型受載后的加載曲線及損傷云圖如圖2 所示。為了比較好呈現(xiàn)受載后鋼筋混凝土梁的內(nèi)部、外部受力性能，受載后的鋼筋混凝土梁有限元模型損傷云圖采用局部剖視法進(jìn)行呈現(xiàn)。

圖2 鋼筋混凝土梁有限元模型受載后的加載曲線及損傷云圖（局部剖視）

對(duì)鋼筋混凝土梁有限元模型的受力性能進(jìn)行分析，并與相關(guān)研究進(jìn)行對(duì)比，可以得出以下分析結(jié)果：

⑴受載后，受拉應(yīng)力損傷首先在鋼筋混凝土梁的跨中部位出現(xiàn)，這是由于鋼筋混凝土梁跨中部位受剪力作用引起的；

⑵隨著荷載的增大，受拉應(yīng)力損傷開(kāi)始在加載點(diǎn)附近部位出現(xiàn)，并逐漸增大，加載點(diǎn)附近部位出現(xiàn)細(xì)小彎曲裂縫，這是由于鋼筋混凝土梁加載點(diǎn)附近部位受剪力和彎矩多重作用引起的；

⑶隨著荷載的進(jìn)一步增大，加載點(diǎn)附近部位的受拉應(yīng)力損傷（彎曲裂縫）越來(lái)越多、越來(lái)越密集，細(xì)小彎曲裂縫逐漸發(fā)展為大裂縫并逐漸向跨中部位延伸；

⑷荷載接近極大值時(shí)，鋼筋混凝土梁的跨中的梁頂部位出現(xiàn)受壓應(yīng)力損傷，彎曲裂縫進(jìn)一步變粗；

⑸荷載到達(dá)極大值時(shí)，鋼筋混凝土梁斷裂。

3 結(jié)語(yǔ)

本文主要從鋼筋混凝土梁有限元模型的建立、鋼筋混凝土梁受力性能有限元分析等方面，對(duì)鋼筋加固混凝土梁有限元模型的受力性能進(jìn)行了研究，為相關(guān)的工程技術(shù)人員人員提供一定的參考。