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鋼筋混凝土簡支梁受彎有限元分析

發布于:2023-10-17 19:30
有限元分析

      鋼筋混凝土簡支梁的研究在土木工程領域具有代表性意義,其受力性能可通過理論計算、實驗結果以及有限元分析。其中有限單元法在建筑行業中得到廣泛的應用,涉及高層建筑、橋梁設計、路面路基、邊坡工程等,表明有限單元分析法在結構受力分析會逐漸成為一種可以替代傳統實驗分析的方法。
      目前,以有限元軟件ANSYS對鋼筋混凝土簡支梁的研究有均布荷載作用下的應力與應變關系、應力與應變對于混凝土的損傷、荷載與位移的關系等,它們主要是對鋼筋混凝土中非線性結構的有限元分析。
      本文采用ANSYS進行了鋼筋混凝土簡支梁受彎的實體有限元分析,進行了實驗和有限元理論計算結果的對比。
      采用分離式有限元模型建模,即混凝土采用Solid65單元(如圖1所示),鋼筋采用Link8單元(如圖2所示),分別建立有限元單元模型。鋼筋和混凝土的兩種單元之間直接將幾何位置重合的節點自由度完全耦合,即不考慮鋼筋和混凝土之間的連接滑移。模型中,為了避免集中荷載引起的局部破壞和不收斂,均用均布荷載來代替;支座約束則采用線約束。由于模型完全對稱,因此可只建立1/4模型即可,以提高計算運行效率。單元尺寸取為50mm左右,映射劃分。
      混凝土立方體抗壓強度標準值fcu,k=30MPa,單軸抗壓強度fc=14.3MPa,單軸抗拉強度ft=1.43MPa。有限元計算過程中,混凝土開裂以后需要考慮裂縫開展以后繼續傳遞剪力的能力,本模擬中張開裂縫的剪力傳遞系數取為0.5,閉合裂縫的剪力傳遞系數取為0.95。
      混凝土單軸應力應變關系上升段采用GB50010-2012規定的公式,不考慮下降段。
      按照規范,相關參數分別取為:n=2,ε0=0.002。在ANSYS命令流中,上述應力應變曲線關系,可以用多個關鍵點進行輸入。
      混凝土材料的本構關系采用多線性等向強化模型MISO。鋼筋材料的計算數值信息為:屈服強度fy=300MPa,彈性模量Es=2.0×e5MPa,泊松比vs=0.3。鋼筋的應力應變關系采用理想彈塑性模型。
      據混凝土結構設計規范可以知道,宏觀可見的混凝土裂縫寬度在0.05mm以上,根據實驗過程及結果分析可知,在加載荷載值達到50kN左右時,出現可見的混凝土斜裂縫。本次試驗的最大加載荷載值為80kN。每當加載一次荷載,觀察梁表面裂縫開展情況,用顏色筆勾畫并記錄裂縫的形態與荷載的大小,得到如圖3所示的混凝土裂縫的開展情況。
      ANSYS有限單元模擬的底部縱向受力鋼筋與試驗的材料、大小相同,并取相同的荷載加載值所產生的裂縫,具體裂縫開展情況如圖4所示。
      根據圖3,圖4可以看出,實驗表明在支座處主要表現出的是斜裂縫,在簡支梁跨中是以豎向裂縫為主;有限單元模擬出的裂縫開展的情況與實驗結果基本一致。
      跨中位移主要根據百分表所測得的實驗數據通過簡單計算所得出荷載與位移的關系。根據有限單元分析計算可以得到相關的荷載與位移曲線,經過數據的整合可以得到與實驗結果的多條荷載位移曲線,如圖5所示。
      根據圖5可以看出,從最初的加載開始,通過有限元分析結果的撓度值一直比實驗結果的撓度值;并且5根梁在荷載作用相同時,其撓度值基本相同。主要是因為ANSYS計算時所采取的屈服面模型與實際情況有一定差異,在模擬彈塑性能時準確性不足。
      1)鋼筋混凝土簡支梁在承受荷載作用下產生的裂縫,在荷載作用下的裂縫分布情況與ANSYS有限單元分析產生的裂縫基本相同。
      2)通過實驗結果得:鋼筋混凝土簡支梁在荷載作用下,跨中最大位移比ANSYS有限元分析所得結果的位移要大。


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