钢筋混凝土与素混凝土有限元模拟对比分析
有限元实验报告
有限元实验报告一、实验目的本实验旨在通过有限元方法对一个复杂的工程问题进行数值模拟和分析，从而验证理论模型的正确性，优化设计方案，提高设计效率。
二、实验原理有限元方法是一种广泛应用于工程领域中的数值分析方法。
它通过将连续的求解域离散化为由有限个单元组成的集合，从而将复杂的偏微分方程转化为一系列线性方程组进行求解。
本实验将采用有限元方法对一个具体的工程问题进行数值模拟和分析。
三、实验步骤1、问题建模：首先对实际问题进行抽象和简化，建立合适的数学模型。
本实验将以一个简化的桥梁结构为例，分析其在承受载荷下的应力分布和变形情况。
2、划分网格：将连续的求解域离散化为由有限个单元组成的集合。
本实验将采用三维四面体单元对桥梁结构进行划分，以获得更精确的数值解。
3、施加载荷：根据实际工况，对模型施加相应的载荷，包括重力、风载、地震等。
本实验将模拟桥梁在车辆载荷作用下的应力分布和变形情况。
4、求解方程：利用有限元方法，将偏微分方程转化为线性方程组进行求解。
本实验将采用商业软件ANSYS进行有限元分析。
5、结果后处理：对求解结果进行可视化处理和分析。
本实验将采用ANSYS的图形界面展示应力分布和变形情况，并进行相应的数据处理和分析。
四、实验结果及分析1、应力分布：通过有限元分析，我们得到了桥梁在不同工况下的应力分布情况。
如图1所示，桥梁的最大应力出现在支撑部位，这与理论模型预测的结果相符。
同时，通过对比不同工况下的应力分布情况，我们可以发现，随着载荷的增加，最大应力值逐渐增大。
2、变形情况：有限元分析还给出了桥梁在不同工况下的变形情况。
如图2所示，桥梁的最大变形发生在桥面中央部位。
与理论模型相比，有限元分析的结果更为精确，因为在实际工程中，结构的应力分布和变形情况往往受到多种因素的影响，如材料属性、边界条件等。
通过对比不同工况下的变形情况，我们可以发现，随着载荷的增加，最大变形量逐渐增大。
3、结果分析：通过有限元分析，我们验证了理论模型的正确性，得到了更精确的应力分布和变形情况。
钢筋混凝土结构的有限元
l
K
2
l
N
T
k
N
dx
2
积分后展开，可得单元刚度矩阵的表达式如下：
K l
62k x0Fra bibliotek2k y
对称
k x 0
0 2k x
k y
0 2k y
N
Nx
N
y
kh
0
0 kv
u v
D w
(3-73)
其中N x与N y分别为沿x与沿 y方向弹簧中的内
力。利用虚功原理可以建立节点力与内力之间
的关系 F BT N
式中:节点力 F X i Yi X j Yj T。
将式(3-72)和式(3-73)代入，可得
F BT Dw BTDB K
因为钢筋混凝土结构由钢筋和混凝土两种材 料组成。如何将这类结构离散化，这一问题 与一般均匀连续的由一种或几种材料组成的 结构有类似之处，但也有不同之点。由于钢 筋混凝土结构中的钢筋一般被包裹于混凝土 之中，而且相对体积较小，因之，在建立钢 筋混凝土的有限元模型时，必须考虑到这一 特点。通常构成钢筋混凝土结构的有限元模 型主要有三种方式：分离式、组合式和整体 式。现在分别介绍如下。
)u3
(1 2
x l
)u
4
v
( 1 2
x l
)v1
(1 2
x l
)v2
(1 2
x l
)v3
(1 2
x l
)v4
用矩阵形式表示，可简写为
w
u v
N
式中： —节点位移列阵 u1 v1 u2 v2 u3 v3 u4 v4 T
N —形函数矩阵；
N
(
ANSYS钢筋混凝土建模方法概述
利用大型通用有限元软件ANSYS进行钢筋混凝土结构的建模、计算分析、结果处理是目前针对钢筋混凝土进行数值模拟的重要步骤。
如何采用ANSYS进行钢筋混凝土建模，能否把握有限元模型的可行性、合理性是将有限元理论应用到实际工程中较为关键的一环。
按照目前在建模中对钢筋的处理方式，ANSYS钢筋混凝土建模方法主要分为三种：整体式、分离式以及组合式，每种方法都具有不同的建模特点，现略做总结如下。
一、整体式建模ANSYS采用Solid65单元来模拟混凝土,所谓整体式建模也即是在建模过程中，通过对65单元进行实常数的设置来考虑钢筋对混凝土结构的作用。
这种方法将钢筋弥散于整个单元中，并视单元为连续均匀材料。
与其他方法比较，整体式建模的单元刚度矩阵综合了钢筋和混凝土单元的刚度矩阵，并且是一次性求得综合的刚度矩阵。
因此，在采用整体建模方法时，在建模之前，应首先求得单元各个方向的配筋率，并设置实常数，一般适用于体量较大，配筋比较规整的钢筋混凝土结构。
整体式建模所得计算结果对比实验来讲，其计算的开裂荷载误差较小，但开裂荷载后的整体荷载位移曲线与实验相比误差较大。
但采用整体建模方法的主要好处是能有效避免因为单元细分导致的应力奇异问题，有利于提高整体计算的收敛性性能。
二、分离式建模与整体式建模方法不同，分离式建模是指在建模过程中，考虑钢筋与混凝土的相互作用，分别选用不同的单元来模拟钢筋和混凝土。
一般而言，钢筋采用线单元link8模拟，混凝土选用配筋率为0的素混凝土Solid65单元模拟。
由于采用不同单元建模，如果认为结构在受外部荷载作用时，钢筋与混凝土在相互约束情况下会产生相对滑移，这时可以在钢筋与混凝土之间添加粘结单元来模拟钢筋与混凝土之间的粘结与滑移，一般采用非线性弹簧conbin39。
如果认为两者之间连接紧密，不会出现滑移，可视为刚性连接，只需通过合并节点即可，也即是相当于两者节点耦合。
从上述表述可见，分离式模型可以揭示钢筋与混凝土之间相互作用的微观机理，而这也是整体式模型无法做到的。
钢筋混凝土结构的本构关系及有限元模式共3篇
钢筋混凝土结构的本构关系及有限元模式共3篇钢筋混凝土结构的本构关系及有限元模式1钢筋混凝土结构的本构关系及有限元模式钢筋混凝土是建筑结构中广泛使用的材料之一。
在结构设计与分析过程中，了解钢筋混凝土的本构关系和有限元模式是十分重要的。
本文将从理论和实践两个层面介绍钢筋混凝土结构的本构关系及有限元模式。
一、理论基础1.1 本构关系本构关系是描述材料应力和应变之间关系的数学模型。
对于钢筋混凝土结构来说，其本构关系可以分为弹性和塑性两个阶段。
如图1所示，该曲线表现了材料的应变和应力之间的关系。
在开始阶段，钢筋混凝土材料表现出弹性行为，即在一定范围内，应变和应力呈线性关系，在这个范围内，应力的变化只取决于外力的变化。
当荷载增加时，材料进入塑性阶段，即出现残余变形，弹性不再适用。
此时，应变和应力的关系呈现非线性态势，应力会逐渐增大，直至材料失效。
图1 钢筋混凝土的本构关系曲线1.2 有限元分析有限元分析是一种近似解微分方程的数值分析方法。
该方法将问题分解成一个有限数量的小区域，在每个小区域内建立数学模型，通过连接小区域，组成总体的数学模型。
对于钢筋混凝土结构的有限元分析，可以采用三维有限元模型或二维\轴对称有限元模型等。
二、实践操作2.1 有限元模型的建立在进行有限元分析前，需要建立合适的有限元模型。
在钢筋混凝土结构的有限元分析中，通常采用ABAQUS、ANSYS软件进行模拟。
有限元模型的建立需要考虑结构的几何形状、材料特性、加载条件等，在模型建立的过程中需要进行模型分析和后处理，如应力监测、应变监测、变形量分析等。
2.2 本构关系的采用在建立有限元模型时需要设置材料弹性模量、泊松比、破坏应力等本构关系参数，这些参数可以通过试验数据和经验公式进行估算。
同时，基于实际结构的材料本身的特性和结构内力状态等影响因素，还需要考虑材料的非线性效应，包括弹塑性分析和的动力分析等。
三、应用现状在实际的建筑结构设计和分析中，钢筋混凝土结构的有限元分析被广泛采用，可以帮助工程师更加准确地预测材料的行为，并定位结构的破坏点及应急防御措施。
ANSYS分析钢筋混凝土结构技巧及实例详解
0 前言利用ANSYS分析钢筋混凝土结构时，其有限元模型主要有分离式和整体式两种模型。
这里结合钢筋混凝土材料的工作特性，从模型建立到非线性计算再到结果分析的全过程讲述了利用ANSYS进行钢筋混凝土结构分析的方法与技巧，并以钢筋混凝土简支梁为例，采用分离式有限元模型，说明其具体应用。
1 单元选取与材料性质1. 1 混凝土单元ANSYS中提供了上百种计算单元类型,其中Solid65单元是专门用于模拟混凝土材料的三维实体单元。
该单元是八节点六面体单元,每个节点具有三个方向的自由度( UX , UY , UZ) 。
在普通八节点线弹性单元Solid45 的基础上,该单元增加了针对于混凝土的材性参数和组合式钢筋模型,可以综合考虑包括塑性和徐变引起的材料非线性、大位移引起的几何非线性、混凝土开裂和压碎引起的非线性等多种混凝土的材料特性。
使用Solid65 单元时,一般需要为其提供如下数据:1)、实常数(Real Constants) :定义弥散在混凝土中的最多三种钢筋的材料属性,配筋率和配筋角度。
对于墙板等配筋较密集且均匀的构件,一般使用这种整体式钢筋混凝土模型。
如果采用分离式配筋,那么此处则不需要填写钢筋实常数。
2)、材料模型(Material Model) :在输入钢筋和混凝土的非线性材料属性之前,首先必须定义钢筋和混凝土材料在线弹性阶段分析所需的基本材料信息,如:弹性模量,泊松比和密度。
3)、数据表(Data Table) :利用数据表进一步定义钢筋和混凝土的本构关系。
对于钢筋材料,一般只需要给定一个应力应变关系的数据表就可以了,譬如双折线等强硬化(bilinear isotropic hardening)或随动硬化模型( kinematic hardening plasticity)等。
而对于混凝土模型,除需要定义混凝土的本构关系外,还需要定义混凝土材料的破坏准则。
在ANSYS中,常用于定义混凝土本构关系的模型有:1)多线性等效强化模型(Multilinear isotropic hardening plas2ticity ,MISO模型)，MISO模型可包括20条不同温度曲线，每条曲线可以有最多100个不同的应力-应变点;2)多线性随动强化模型(Multilinear kinematic hardening plas2ticity ,MKIN 模型)，MKIN 模型最多允许5个应力-应变数据点;3)Drucker2Prager plasticity(DP)模型。
钢筋混凝土有限元分析
钢筋混凝土有限元分析(1)首先建立有限元模型，这里我们选用ANSYS软件自带的专门针对混凝土的单元类型Solid 65，进入ANSYS主菜单Preprocessor->Element Type->Add/Edit/Delete，选择添加Solid 65号混凝土单元。
(2) 点击Element types窗口中的Options，设定Stress relax after cracking为Include，即考虑混凝土开裂后的应力软化行为，这样在很多时候都可以提高计算的收敛效率。
(3) 下面我们要通过实参数来设置Solid 65单元中的配筋情况。
进入ANSYS主菜单Preprocessor-> Real Constants->Add/Edit/Delete，添加实参数类型1与Solid 65单元相关，输入钢筋的材料属性为2号材料，但不输入钢筋面积，即这类实参数是素混凝土的配筋情况。
(4) 再添加第二个实参数，输入X方向配筋为0.05，即X方向的体积配筋率为5%。
(5) 下面输入混凝土的材料属性。
混凝土的材料属性比较复杂，其力学属性部分一般由以下3部分组成：基本属性，包括弹性模量和泊松比；本构关系，定义等效应力应变行为；破坏准则，定义开裂强度和压碎强度。
下面分别介绍如下。
(6) 首先进入ANSYS主菜单Preprocessor-> Material Props-> Material Models，在DefineMaterial Model Behavior 窗口中选择Structural-> Linear -> Elastic-> Isotropic，输入弹性模量和泊松比分别为30e9和0.2(7) 下面输入混凝土的等效应力应变关系，这里我们选择von Mises屈服面，该屈服面对于二维受力的混凝土而言精度还是可以接受的。
在Define Material Model Behavior 窗口中选择Structural-> Nonlinear->Inelastic-> Rate Independent-> Isotropic Hardening Plasticity-> Mises Plasticity-> Multilinear，输入混凝土的等效应力应变曲线如下图所示。
CFRP加固钢筋混凝土柱承载力模拟分析
d o i :10.3963/j .i s s n .1674-6066.2024.01.022C F R P 加固钢筋混凝土柱承载力模拟分析李路彬(中国建筑设计研究院有限公司,北京100032)摘 要: 为探究碳纤维复合材料(c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d p o l ym e r ,C F R P )加固混凝土柱的承载能力,通过测量混凝土抗压强度㊁钢筋应力-应变关系及加固混凝土的黏结应力,得到了加固混凝土柱的轴压承载力计算值和模拟值㊂C F R P 布加固的钢筋混凝土柱的荷载-位移曲线趋势与非加固柱相近,C F R P 布加固柱的承载力较非加固柱的承载力提高了112.8%,加固试件的黏结强度增大了108.9%㊂关键词: C F R P ; 应力-应变关系; 耐久性D e s i g na n dA n a l y s i sM e t h o do f S t r e n g t h e n i n g R e i n f o r c e d C o n c r e t e S t r u c t u r e sL IL u -b i n(C h i n aA r c h i t e c t u r eD e s i g n &R e s e a r c hG r o u p ,B e i j i n g 100032,C h i n a )A b s t r a c t : T o i n v e s t i g a t e t h eb e a r i n g c a p a c i t y o f c a r b o nf i b e r r e i n f o r c e d p o l y m e r (C F R P )r e i n f o r c e dc o n c r e t ec o l -u m n s ,t h e c a l c u l a t e d a n d s i m u l a t e d v a l u e s o f a x i a l c o m p r e s s i v e c a p a c i t y o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e c o l u m n sw e r e o b t a i n e d b y m e a s u r i n g t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t ho f c o n c r e t e ,t h e s t r e s s -s t r a i nr e l a t i o n s h i p o f r e b a r a n d t h eb o n d i n g s t r e s so f r e i n -f o r c e d c o n c r e t e .T h e l o a d -d i s p l a c e m e n t c u r v e t r e n d o f t h e r e i n f o r c e d c o n c r e t e c o l u m n r e i n f o r c e db y C F R Ps h e e t i s s i m i -l a r t o t h a t o f t h en o n -r e i n f o r c e dc o l u m n .T h eb e a r i n g c a p a c i t y o f t h er e i n f o r c e dc o n c r e t ec o l u m nr e i n f o r c e db y C F R P s h e e t i s 112.8%h i g h e r t h a n t h a t o f t h en o n -r e i n f o r c e d c o l u m n ,a n d t h e b o n d s t r e n g t ho f t h e r e i n f o r c e d c o n c r e t e s p e c i -m e n i s 108.9%h i g h e r .K e y w o r d s : c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d p o l y m e r ; s t r e s s -s t r a i n r e l a t i o n s h i p ; d u r a b i l i t y 收稿日期:2023-09-13.作者简介:李路彬(1981-),高级工程师.E -m a i l :l l b 753@163.c o m混凝土结构在现代建筑中应用广泛而普遍,结构在服役过程中随时间推移和外界影响因素的侵蚀,结构会出现开裂㊁变形和强度损失等问题㊂为保证结构服役期内的使用安全性,混凝土加固设计成为一项重要任务㊂长期荷载和外部侵蚀对结构的材料性能影响显著,混凝土结构可能出现裂缝㊁变形和强度下降等问题,这些问题对结构的稳定性和安全性构成威胁㊂通过加固设计,可以修复和强化受损的混凝土结构,延长其使用寿命,降低维护成本,并确保人们的生命财产安全㊂李鹏鹏[1]进行了C F R P 布加固砌体结构的抗压强度试验,同时分析了粘贴2层和3层C F R P 布对砌体抗压承载力的增强效果,并对加固结构的裂缝形态㊁破坏模式和加固原理进行总结,研究发现粘贴C F R P 布的加固方式可提高混凝土结构的承载能力和抗震性能㊂通过不同的加固材料和加固技术可提高结构的承载能力及刚度,抗震性能显著提升,从而减少地震荷载激励对结构的危害[2-4]㊂加固设计可以修复和加固老化和受损的混凝土结构,避免结构失效和意外事故的发生㊂程东辉等[5]对3组翼缘与腹板转角处C F R P 布锚固的钢筋混凝土柱进行轴心受压试验,得到了试件的极限荷载㊁轴向变形及破坏模式,提出了C F R P 约束下钢筋混凝土柱极限承载力的计算公式㊂在混凝土加固设计的研究方法方面,需要对混凝土结构进行全面的检测和评估,包括结构的承载能力㊁裂缝情况㊁变形程度等[6]㊂其次,根据结构的具体情况和问题,选择合适的加固材料和技术,如碳纤维增强聚建材世界 2024年 第45卷 第1期合物(C F R P )片材加固㊁钢板加固等[7]㊂最后进行加固设计计算和分析,确定加固材料的数量和布置方式,进行施工过程的监控和质量控制,确保加固效果符合设计要求[8]㊂混凝土加固设计对于保障混凝土结构的安全性和使用寿命具有重要意义㊂论文主要分析粘贴碳纤维布的加固方法,阐述了加固前后的措施及效果㊂1 模型建立以钢筋混凝土加固柱为实例进行建模分析,所取厂房主体结构形式为混凝土框架结构,对易损混凝土柱进行粘贴C F R P 的方式进行加固,加固柱后改造部位设计使用年限为30年㊂加固改造部位为框架结构,基本风压为0.60k N /m 2,基本雪压为0.20k N /m 2,抗震设防烈度为6ʎ,地震分组为第一组,基本地震加速度为0.05g ㊂对承载力不足的混凝土框架柱进行粘贴C F R P 布进行加固;新增梁板与原有梁板柱采用化学植筋法连接㊂需加固混凝土柱在平面布置图中位置示意如图1(a )所示,采用C F R P 布加固的混凝土柱建模流程如图1(b )所示㊂混凝土和钢筋均采用C 3D 8R 模型单元,钢筋的受拉本构关系采用弹塑性的双直线模型,钢筋的受压本构关系采用完全理想弹塑性的双折线模型,混凝土本构关系采用塑性损伤模型㊂C F R P 的本构关系采用应力-应变关系表达式㊂共模拟了两种尺寸的混凝土柱,其中8根C F R P 加固柱和4根普通混凝土柱㊂2 项目检测与承载力计算2.1 混凝土抗压强度通过对实际混凝土柱的抗压强度进行钻孔取样,然后分别进行重新养护后再进行混凝土抗压强度试验,混凝土取芯示意如图2(a )所示,结构材料强度检测结构见表1㊂为准确对比粘贴C F R P 对混凝土抗压强度的影响,采用混凝土碳化深度测量仪分别对粘贴C F R P 和不粘贴C F R P 的抗压强度试件进行碳化深度测量,混凝土碳化深度测量完毕后,应选择测区内部平均测量碳化深度值对混凝土材料强度进行修正㊂最后对两组圆柱体试件进行抗压强度试验,测得的粘贴C F R P 和不粘贴C F R P 的试件抗压强度变化趋势如图2(b)所示㊂不同养护时间对应的混凝土抗压强度值可由式(1)计算得到㊂f c u (t )=f c u (28)㊃t 2.21+0.91æèçöø÷t (1)式中,t 为试件养护时间(d );f c u (t )和f c u (28)分别为养护t d 和28d 时的混凝土抗压强度值(M P a )㊂建材世界 2024年 第45卷 第1期表1 结构材料强度检测构件位置混凝土抗压强度/M P a 碳化深度/mm 垂直度判定结果普通柱3/G 柱30.71.1满足规范要求加固柱3/L 柱31.41.0满足规范要求普通柱4/B 柱29.51.2满足规范要求加固柱6/B 柱33.80.9满足规范要求采用浓度为1%的酚酞酒精溶液测试该结构混凝土构件的碳化深度,结果表明C F R P 加固混凝土柱的碳化深度小于普通混凝土柱的碳化深度㊂普通混凝土柱的碳化深度大于1.0mm ,而C F R P 加固柱的碳化深度小于1.0mm ㊂钢筋混凝土柱应力集中显著的区域位于柱中区域,在加固混凝土柱的同时增设混凝土梁和板,新增梁板与原有梁板柱采用化学植筋法连接㊂对混凝土强度不足且碳化深度较大的混凝土框架柱进行加大截面法加固㊁对混凝土强度不足且配筋与设计不符的柱进行粘贴碳纤维布法加固㊂2.2 结构钢筋应力分析为分析内部结构钢筋在荷载作用下的应力-应变关系,对C F R P 加固柱和普通柱的内部钢筋进行检测,同时采用A B A Q U S 模拟荷载激励作用下的应力分布㊂钢筋外形系数取0.14,锈蚀程度对钢筋应力-应变的关系忽略不计,混凝土表面的蜂窝㊁麻面等现象因对极限荷载影响较小,模拟时不予考虑㊂加固柱的内部钢筋应力检测示意图如图3(a )所示㊂通过结构钢筋尺寸㊁间距㊁外形和锈蚀情况的检测可粗略估计结构的质量状况,上部承重混凝土柱的钢筋应力水平较低㊂钢筋内部应力模拟如图3(b )所示,钢筋采用T R U S S 单元模拟,纵向钢筋和横向箍筋装配形成钢筋笼,并采用桁架T 3D 2单元模块㊂经模拟发现:加固柱内部钢筋应力水平大于普通柱的内部钢筋最大应力,钢筋最大应力为250.8M P a ,以此可看出C F R P 加固措施对结构质量的评估有利㊂2.3 黏结强度与受拉损伤关系评估C F R P 加固柱的黏结性能有利于结构承载力的准确预测,因此采用黏结强度仪对梁构件的碳纤维建材世界 2024年 第45卷 第1期片材粘结质量进行现场检验㊂随机选取10%混凝土加固柱,以每根受检构件为一检验组,每组3个检验点㊂碳纤维加固柱的损伤模拟示意图如图4(a )所示,柱内黏结应力计算如式(2)所示,钢筋内部拉力由式(3)计算得到㊂黏结应力在柱中分布与柱中受拉损伤分布相近,黏结强度最大值位于柱中位置处㊂同时采用拉拔测试仪对加固前后的混凝土柱进行粘结质量检测,对各楼层的承重部位进行拉拔粘结推定,发现拉拔强度推定值稳定在2.1M P a 左右㊂加固柱的正粘结强度提升约10%,模拟结果显示柱中损伤程度降低12%㊂加固柱的荷载挠度曲线如图4(b )所示,可以看出C F R P 加固柱的挠度显著小于普通混凝土柱和素混凝土柱的柱中挠度㊂τ=F πd l a (2)F =E s επd 24(3)式中,F 为柱内钢筋拉力(k N );τ为计算黏结应力(M P a );E s 为钢筋弹性模量(M P a );ε为钢筋应变;d 为钢筋直径(mm )㊂2.4 位移及应力模拟分析根据结构静载荷试验区间的选取原则,选取直径600mm 的混凝土加固柱进行位移模拟和应力模拟试验㊂模拟试验结果表明,柱的挠度限值为15.3mm ,现场实测加固柱的挠度最大值0.06mm ,说明粘贴C F R P 布的挠度符合承载力要求,卸载后加固柱最大残余应变约为3.8ˑ10-6,此时粘贴C F R P 布的加固柱在正常使用极限状态下结构处于弹性变形阶段㊂粘贴C F R P 布加固柱的位移模拟试验结果如图5(a )所示,可以看出顶端荷载激励处的位移处于最大值,最大位移为15.3mm ,位移沿柱顶向柱底逐渐降低㊂位移模拟图网格尺寸选用20mm 和40mm 两种规格,网格尺寸小的模拟结果更准确㊂C F R P 加固柱应力模拟结果如图5(b )所示,应力模拟结果为钢筋混凝土共同作用下的结果㊂结果表明:柱顶和柱底的应力大于柱中应力,应力分布与位移分布存在微小差异,距离柱顶400mm 处存在应力集中现象㊂裂缝的出现与结构承载力发展水平密切相关,因此对加固后的混凝土构件进行裂缝测量十分必要㊂应力集中斑点处产生最大宽度裂缝,损伤程度随裂缝宽度增大而增大㊂加载过程中,出现最大裂缝宽度为0.18mm ,最大裂缝宽度限值为建材世界 2024年 第45卷 第1期0.3mm ,裂缝宽度没有超限,而卸载后,裂缝恢复,应力水平小幅回升㊂2.5 应变测量每根混凝土柱的跨中布置5个应变测点,应变模拟见图6(a )㊂可以看出应变分布与受拉损伤区域的分布相近,将模拟数据进行后处理,得到C F R P 加固柱和普通柱的荷载挠度曲线,如图6(b )所示㊂由图6(b )可以看出:C F R P 加固钢筋混凝土柱的荷载挠度曲线较普通柱的荷载挠度曲线更高,极限承载力提升了12.8%㊂荷载挠度曲线显示C F R P 加固柱的残余挠度小于普通柱的残余挠度,加固柱的刚度比普通钢筋混凝土柱的刚度要大,且加固的钢筋混凝土柱延性更低,脆性更大㊂C F R P 保护层的应用改变了钢筋混凝土柱的极限承载力㊁耗能能力㊁刚度㊁延性和变形能力,出现这一情况的原因是粘贴C F R P 相当于增大了试件截面,极限承载力等因素也随之相应改变,从而显著改变了钢筋混凝土柱的承载能力㊂3 结 论通过有限元模拟C F R P 加固混凝土柱的轴压性能,进行了混凝土抗压强度㊁钢筋应力-应变分析及荷载挠度测定,确定了C F R P 加固柱的性能评估方法,得到了以下结论:a .C F R P 加固的钢筋混凝土柱使承载能力提升了112.8%,且加固柱承载能力随损伤程度增大而不断降低,C F R P 加固也可降低混凝土的碳化程度,提高柱内钢筋应力水平㊂b .根据有限元模拟C F R P 加固柱的位移㊁应力㊁应变及损伤程度,分析发现加固柱的破坏发生在柱中位置处,损伤程度沿着应力降低水平而降低㊂C F R P 加固混凝土柱的应力-应变分布规律与位移分布规律相近㊂c .粘贴C F R P 纤维布的加固方式大大提高了结构的承载力及耐久性,可快速满足灾后结构加固承载力要求㊂参考文献[1] 李鹏鹏.碳纤维(C F R P )布加固砌体的破坏和机理分析[J ].国外建材科技,2008,29(5):48-50,54.[2] 杜志鹏.高层建筑混凝土剪力墙构件加固施工技术[J ].砖瓦,2023(6):149-151.[3] 沈守全.混凝土结构加固设计[J ].建材世界,2011,32(4):83-85.[4] 常 亮.高层建筑工程项目混凝土加固施工技术研究[J ].中国建筑金属结构,2023,22(5):19-21.[5] 程东辉,姚宇航,王 丽.C F R P 布对不同截面混凝土柱加固性能分析[J ].建筑科学与工程学报,2023,40(3):40-49.[6] 朱 章.某工程地下室混凝土结构裂缝加固处理分析[J ].安徽建筑,2023,30(5):58-60.[7] 张东伟,冯尔云,谢 文.钢结构数字化工厂研究及应用[J ].建材世界,2017,38(6):57-60.[8] 张 丽.钢筋混凝土梁粘贴钢板加固的试验研究[J ].交通世界,2023(14):168-170.建材世界 2024年 第45卷 第1期。
基于ANSYS的钢筋混凝土结构非线性有限元分析
2、应力-应变曲线：描述了混凝土和钢筋的在往复荷载作用下的变形和能量吸收能力，显示 了结构的塑性变形和损伤演化过程。
参考内容
引言
钢筋混凝土结构在建筑工程中具有重要地位，其非线性行为对结构性能影响 显著。因此，进行钢筋混凝土结构的非线性有限元分析对于预测结构响应、优化 结构设计具有实际意义。本次演示将根据输入的关键词和内容，建立钢筋混凝土 结构非线性有限元分析模型，并详细描述分析过程、结果及结论。
基于ANSYS的钢筋混凝土结构 非线性有限元分析
基本内容
引言：
钢筋混凝土结构是一种广泛应用于建筑工程的重要材料，其非线性力学行为 对结构设计的安全性和稳定性具有重要影响。为了精确模拟钢筋混凝土结构的真 实行为，需要借助先进的数值计算方法，如非线性有限元分析。ANSYS作为一种 广泛使用的有限元分析软件，为钢筋混凝土结构的非线性分析提供了强大的支持。
对于钢筋混凝土，其非线性行为主要来自两个方面：混凝土的本构关系和钢 筋与混凝土之间的相互作用。在非线性有限元分析中，需要建立合适的模型来描 述这些行为。例如，可以采用各向异性本构模型来描述钢筋混凝土的力学行为， 该模型可以捕捉到材料在不同主应力方向上的不同响应。
二、ANSYS中混凝土本构关系研 究
在进行荷载试验时，通过施加不同大小和方向的荷载，检测结构的变形和破 坏过程。采用静力荷载试验和动力荷载试验两种方式，分别模拟实际结构在不同 荷载条件下的响应。在试验过程中，记录各阶段的位移、应变和荷载数据。
在进行有限元分析时，采用ANSYS软件对试验数据进行模拟分析。首先进行 模态分解，了解结构的基本振动特性。随后进行屈曲分析，预测结构的失稳趋势。 通过调整模型参数和网格划分，对比分析不同方案下的有限元计算结果，为结构 的优化设计提供依据。
有限元ansya分析钢筋混凝土步骤
分析过程（1）首先建立有限元模型，这里我们选用ANSYS软件自带的专门针对混凝土的单元类型Solid 65，进入ANSYS主菜单Preprocessor->Element Type->Add/Edit/Delete，选择添加Solid 65号混凝土单元。
(2) 点击Element types窗口中的Options，设定Stress relax after cracking为Include，即考虑混凝土开裂后的应力软化行为，这样在很多时候都可以提高计算的收敛效率。
(3) 下面我们要通过实参数来设置Solid 65单元中的配筋情况。
进入ANSYS主菜单Preprocessor-> Real Constants->Add/Edit/Delete，添加实参数类型1与Solid 65单元相关，输入钢筋的材料属性为2号材料，但不输入钢筋面积，即这类实参数是素混凝土的配筋情况。
(4) 再添加第二个实参数，输入X方向配筋为0.05，即X方向的体积配筋率为5%。
(5) 下面输入混凝土的材料属性。
混凝土的材料属性比较复杂，其力学属性部分一般由以下3部分组成：基本属性，包括弹性模量和泊松比；本构关系，定义等效应力应变行为；破坏准则，定义开裂强度和压碎强度。
下面分别介绍如下。
(6) 首先进入ANSYS主菜单Preprocessor-> Material Props-> Material Models，在Define Material Model Behavior 窗口中选择Structural-> Linear -> Elastic-> Isotropic，输入弹性模量和泊松比分别为30e9和0.2(7) 下面输入混凝土的等效应力应变关系，这里我们选择von Mises屈服面，该屈服面对于二维受力的混凝土而言精度还是可以接受的。
在Define Material Model Behavior 窗口中选择Structural-> Nonlinear-> Inelastic-> Rate Independent-> Isotropic Hardening Plasticity-> Mises Plasticity-> Multilinear，输入混凝土的等效应力应变曲线如下图所示。
钢筋混凝土原理和分析
钢筋混凝土原理和分析钢筋混凝土是由钢筋和混凝土两种物理—力学性能完全不同的材料所组成。
混凝土的抗压能力较强而抗拉能力却很弱。
钢材的抗拉和抗压能力都很强。
为了充分利用材料的件能，把混凝土和钢筋这两种材料结合在一起共同工作，使混凝土主要承受压力，钢筋上要承受拉力，以满足工程结构的使用要求。
一混凝土结构的发展简况及其应用钢筋混凝土是在19世纪中叶开始得到应用的，由于当时水泥和混凝土的质量都很差，同时设计计算理论尚未建立，所以发展比较缓慢。
直到19世纪末，随着生产及建设的发展需要．钢筋混凝土的试验工作、计算理论、材料及施工技术均得到了较快的发展。
目前已成为现代工程建设中应用最广泛的建筑材料之一。
在工程应用方面，钢筋混凝土最初仅在最简单的结构物如拱、板等中使用，随着水泥和钢铁工业的发展．混凝土和钢材的质量不断改进，强度逐步提高。
20世纪20年代以后，混凝土和钢筋的强度有了提高，出现了装配式钢筋混凝土结构、预应力混凝土结构和壳体空间结构，构件承载力开始按破坏阶段计算，计算理论开始考虑材料的塑性。
20世纪50年代以后，高强混凝土和高强钢筋的出现使钢筋混凝土结构有了飞速的发展。
装配式混凝土、泵送商品混凝土等工业化的生产结构，使钢筋混凝土结构的应用范围不断扩大。
近20年来，随着生产水平的提高，试验的深入，计算理论研究的发展，材料及施工技术的改进，新型结构的开发研究，混凝土结构的应用范围在不断的扩大，已经从工业与民用建筑、交通设施、水利水电建筑和基础工程扩大到近海工程、海底建筑、地下建筑、核电站安全壳等领域，并已开始构思和实验用于月面建筑。
随着轻质高强材料的使用，在大跨度、高层建筑中的混凝土结构越来越多。
近年来，随着高强度钢筋、高强度高性能混凝土以及高性能外加剂和混合材料的研制使用，高强高性能混凝土的应用范围不断扩大，钢纤维混凝土和聚合物混凝土的研究和应用有了很大的发展。
还有，轻质混凝土、加气混凝土、陶粒混凝土以及利用工业废渣的“绿色混凝土”，不但改善了混凝土的性能而且对节能和保护环境具有重要的意义。
极限平衡法和有限元边坡稳定分析法在盾构隧道穿秦淮河堤防工程中的研究与应用
４ １ 三 维模 型 的 简化 ．
管 线 影 响 段 堤 防 土 体 可 分 为 三
部分 ， 如 １ 所示 ， ： 即 管线 范围土体
曩 嘲簟
图 １ 盾 构 隧 道 影 响段 平 面 图
（ 中 Ｂ Ｂ剖 面 ）管 线 两 侧 土 体 （ — 图 — ， Ａ
５２ 安 全 系数 ．
因 极 限 平 衡 法 计 算 忽 略 两 侧 土 体 的侧 向 阻滑 作 用 ， 线 段 土 体 宽 仅 管
析参考该结论。 计算过程 中未考虑挡 墙下置换 的素混凝土桩 的阻滑作用 ， 仅作为安全储备 。
４３ 软 弱 土 层 强 度取 值 ．
仅 由滑 弧 面 上 的剪 切 摩 阻 力 平 衡 。
４２ 隧道 及 桩 基 简化 ．
搅 拌 桩 、 构 隧 道 对 滑 动 土 体 有 盾
图 ２ 地质剖面 图
加 筋 作 用 ， 抗 滑 有 利 ， 定 分 析 过 对 稳
２１ ０ 第 ６期 １年
江苏 水利
由于盾 构管线的加筋 阻滑作用 ， 堤坡
由 于 盾 构 刀 盘 难 以 破 除 钢 筋 混 凝 土 灌注桩 ， 计将 钢筋混凝 土灌注桩提 设 前 拔 除 ， 换 成 素 混 凝 土 桩 ， 在 盾 置 并 构 隧道段 堤 防后 侧及 两侧 局部 增设
抗 滑 桩 补 强 ， 构 隧 道 影 响 段 平 面 见 盾
南 京 下 关 区 ２ ０ｋ 变 电 站 送 电 ２ Ｖ 工 程 采 用 盾 构 隧 道 穿 越 秦 淮 河 ， 缆 电
土 体 自身 能 够 稳 定 ， 加 同补 强 措 施 则
能 满 足 堤 防 抗 滑 稳 定 要 求 ， 只 要 对 现 该 段 土 体 进 行 分 析 即 可 。 为 简 化 计 算 ，不 考 虑 两 侧 土 体 侧 向 阻 滑 作 用 ， 滑 裂 面 内 土 体 重 力 产 生 的 滑 动 力 矩
基于有限元模拟的混凝土结构变形分析研究
基于有限元模拟的混凝土结构变形分析研究一、研究背景混凝土结构在工程领域中占据着重要的地位，其性能对于工程的安全稳定起着至关重要的作用。
而混凝土结构的变形特性是影响其性能的重要因素之一。
目前，有限元模拟技术已经成为了混凝土结构变形分析的重要手段之一，能够对混凝土结构的变形特性进行精确的分析和预测。
因此，研究基于有限元模拟的混凝土结构变形分析具有重要的理论意义和实际应用价值。
二、研究内容1.混凝土结构有限元模拟原理混凝土结构有限元模拟是利用计算机对混凝土结构进行分析和计算，采用有限元方法对结构进行离散化，将结构分成有限个单元，通过单元之间的相互作用力推导出整个结构的性能特点。
其中，有限元模型的建立和材料模型的选择是有限元模拟的关键。
2.混凝土结构变形特性分析混凝土结构变形特性是指在外力作用下，混凝土结构发生的变形规律和变形大小。
通过有限元模拟可以对混凝土结构的变形特性进行精确的分析和预测，如结构的受力情况、变形大小、应力分布等。
3.影响混凝土结构变形特性的因素混凝土结构变形特性受到多种因素的影响，如混凝土本身的材料特性、结构的几何形状、外力作用情况等。
在有限元模拟中，需要对这些因素进行综合考虑，以获得准确的混凝土结构变形特性分析结果。
三、研究方法本研究采用有限元模拟的方法，通过ANSYS软件对混凝土结构进行建模和分析。
首先，对混凝土材料的本构模型进行选择和建立，确定混凝土的力学性能参数。
然后，根据混凝土结构的几何形状建立有限元模型，并对结构进行离散化处理。
最后，通过加载相应的外力，对混凝土结构的变形特性进行分析和计算。
四、研究结果通过有限元模拟的方法，对混凝土结构的变形特性进行了分析和计算。
得到了结构的受力情况、变形大小、应力分布等重要参数，对混凝土结构的安全性和稳定性进行了评估。
同时，通过对影响混凝土结构变形特性的因素进行综合考虑，提出了相应的改善措施，以提高混凝土结构的性能和安全性。
五、研究结论本研究通过基于有限元模拟的方法，对混凝土结构的变形特性进行了分析和计算。
钢_混凝土混合结构考虑温度荷载的有限元分析
钢-混凝土混合结构考虑温度荷载的有限元分析兰 涛王 燕(青岛市建筑设计研究院 青岛 266003)(青岛理工大学 青岛 266033)张春侠(青岛海创建筑设计院 青岛 266071)摘 要 分析了钢-混凝土混合结构在温度荷载作用下的实际工作状态,推导了混合节点中混凝土柱与钢梁中的自约束应力和外约束应力计算公式,采用三维有限元数值可视化模拟,研究了三种温度荷载工况下节点的应力分布状态。
研究结果表明,由于节点构造的影响使得钢梁与混凝土柱中的温度应力无法释放,在节点区域出现了较大的应力集中现象。
工程设计中应充分考虑温度应力对混合节点的不利影响,采取对混凝土柱端附加钢板箍进行加强或将钢梁底板上的锚固螺栓孔开成长圆孔的方法消除温度应力,防止混凝土柱开裂。
关键词 混合节点 温度荷载 自约束应力 有限元FINITE ELEMENT ANALYSIS OF STEEL -C ONCRETE STRUC TURE UNDERTEMPERATURE LOADLan TaoW ang Y an(Qingdao Architecture Design and Research Institute Qingdao 266003)(Qingdao Polytechnic University Qingdao 266033)Zhang Chunxia(Qingdao Haichuang Architecture Design Institute Qingdao 266071)ABSTRAC T Based on analyzing stee-l concr ete structure c s wor king behav ior under temperature load,it is deduced thatt he calculat ion formulae of sel-f restr icted stress and outside -restricted str ess in a joint of concrete co lumn and steel beam 1A nd a 3D finite element numer ic videotex analysis has been made to study the stress distribution of the joint under three load states 1Results indicate that stress centralization in t he jointzone as temperature str ess caused by structure cannot be r eleased 1It should be considered the har mful effect caused by temperature stress to mixed joint,and measur es such as appending steel hoop around concrete end or making an ellipse hole on the motherboar d of t he anchoring bo lt ar e taken to prevent concrete cracking.KEY WORDS mix ed structure joint temperature load sel-f restricted str ess finite element钢-混凝土混合结构主要是指钢-混凝土混合门式刚架。
ABAQUS有限元分析钢筋混凝土连续梁内力重分布的影响因素
ABAQUS有限元分析钢筋混凝土连续梁内力重分布的影响因素随着工程建设和技术水平的不断提升，ABAQUS有限元分析技术被广泛应用于工程力学领域，特别是结构力学方面的研究中。
钢筋混凝土连续梁是一种常见的工程结构，在受力过程中会出现内力分布的变化。
本文将以ABAQUS有限元分析钢筋混凝土连续梁内力重分布的影响因素为主题，对此进行探讨。
1. 梁的几何形状和区间长度钢筋混凝土连续梁的几何形状和区间长度是影响内力分布的主要因素之一。
随着几何形状的变化，梁的受力情况也会发生变化，因此影响内力分布的因素包括梁的截面形状、宽度、高度等方面，以及不同区间长度的差异等。
2. 材料性质材料性质是影响钢筋混凝土梁内力分布的另一个关键因素。
钢筋混凝土的强度、韧性等基本性质都会对内力分布产生重要的影响。
在ABAQUS有限元分析中，材料性质的设定是十分重要的，包括混凝土、钢筋的材料性质等方面。
3. 荷载类型和荷载大小荷载类型和荷载大小都对内力分布产生重要的影响。
不同类型的荷载会产生不同的力学响应，从而影响内力的分布情况。
同时，荷载大小的不同也会影响内力分布的程度和形态。
4. 支座形式支座形式是钢筋混凝土连续梁内力分布的另一个重要因素。
不同的支座形式会对梁的刚度产生不同的影响，从而对内力分布产生不同的影响。
在ABAQUS有限元分析中，支座形式的设定需要考虑支座的类型、位置、刚度等因素。
综上所述，钢筋混凝土连续梁内力重分布的影响因素包括梁的几何形状和区间长度、材料性质、荷载类型和荷载大小、支座形式等方面。
针对这些因素，我们可以通过ABAQUS有限元分析工具，对钢筋混凝土连续梁内力分布情况进行模拟和计算，并针对不同的影响因素进行分析和改进，进一步提高工程建设的质量和性能。
为了更好地分析钢筋混凝土连续梁内力重分布的影响因素，我们需要收集和整理相关的数据，进行量化和分析。
以下是一些可能的数据类型和分析方法。
1. 梁的截面面积和惯性矩梁的截面面积和惯性矩是直接影响内力分布的因素之一。
粘钢加固钢筋混凝土梁抗弯性能有限元分析
粘钢加固钢筋混凝土梁抗弯性能有限元分析在建筑结构领域，钢筋混凝土梁作为常见的承重构件，其性能的优劣直接关系到整个结构的安全性和稳定性。
随着时间的推移和使用条件的变化，一些钢筋混凝土梁可能会出现承载力不足、裂缝过大等问题，影响其正常使用。
粘钢加固作为一种有效的加固方法，能够显著提高钢筋混凝土梁的抗弯性能。
为了深入了解粘钢加固钢筋混凝土梁的工作机理和性能特点，有限元分析成为了一种重要的研究手段。
有限元分析是一种基于数学和力学原理的数值计算方法，它可以将复杂的结构离散为有限个单元，并通过求解方程组来模拟结构的受力和变形情况。
在粘钢加固钢筋混凝土梁的有限元分析中，需要建立合理的模型，包括混凝土、钢筋和钢板等部件，并定义它们之间的相互作用关系。
首先，混凝土材料的模拟是一个关键问题。
混凝土是一种非均质、非线性的材料，其力学性能受到多种因素的影响，如强度等级、骨料类型、加载方式等。
在有限元分析中，通常采用混凝土损伤塑性模型来描述混凝土的受力行为。
该模型考虑了混凝土在拉压作用下的损伤演化和塑性变形，可以较好地模拟混凝土的开裂和破坏过程。
钢筋作为混凝土梁中的主要受力部件，其模拟也需要准确可靠。
一般采用桁架单元来模拟钢筋，并通过定义钢筋的本构关系来反映其力学性能。
常用的钢筋本构关系有理想弹塑性模型和双折线模型等。
钢板在粘钢加固中起到增强梁的抗弯能力的作用。
钢板通常采用壳单元进行模拟，并定义其材料属性和厚度。
在模拟钢板与混凝土之间的粘结作用时，可以采用粘结单元或者设置接触关系来实现。
在建立有限元模型时，还需要考虑边界条件和加载方式。
边界条件应根据实际情况进行设置，例如简支梁的两端可以设置为铰支约束。
加载方式可以采用集中力加载或者均布荷载加载，以模拟梁在实际使用中的受力情况。
通过有限元分析，可以得到粘钢加固钢筋混凝土梁在不同荷载作用下的应力分布、变形情况和破坏模式等重要信息。
例如，在加载初期，梁的跨中挠度较小，混凝土和钢筋的应力也处于较低水平。
钢-混凝土组合梁结构试验研究与有限元分析
钢-混凝土组合梁结构试验研究与有限元分析胡少伟;喻江【摘要】双箱钢-混凝土组合梁结构是一种新型钢-混凝土组合结构，具有较好的应用前景。
为研究该种组合梁的结构性能，并分析其强度和刚度的主要影响因素，设计了两根组合梁模型进行试验研究。
通过测试其跨中截面应变、纵向挠度、承载能力等参量来分析该组合梁的荷载应变曲线、荷载挠度曲线等。
借助有限元软件ANSYS 建立了组合梁的三维空间有限元模型，考虑材料非线性，对该组合梁模型进行了有限元分析。
分析结果与试验结果的比较分析表明，两者吻合良好，表明该研究对工程应用具有一定的指导作用和参考价值。
%The double - box steel - concrete composite beam structure is a new type of steel - concrete composite structure that has wide application prospect. In order to further investigate the mechanical performance of the composite structure and analyze the influential factors of strength and stiffness,two specimens model beam were designed and studied. Through the measuring pa-rameters such as the strain of mid - span cross - section,longitudinal deflection and bearing capacity,the loading - strain curve and loading - deflection curve were analyzed. By consideration of the material nonlinearity,a 3D model for the composite beam is established and analyzed by ANSYS. Finally,the comparative analysis between experimental test and finite element simulation is conducted,which shows a high correlative agreement with each other. This research has a certain guidance and reference value for engineering application.【期刊名称】《人民长江》【年(卷),期】2015(000)008【总页数】6页(P50-55)【关键词】双箱组合梁;试验研究;有限元模拟;对比分析【作者】胡少伟;喻江【作者单位】南京水利科学研究院材料结构研究所，江苏南京 210024;南京水利科学研究院材料结构研究所，江苏南京 210024; 河海大学土木与交通学院，江苏南京 210098【正文语种】中文【中图分类】TV335钢-混凝土组合结构经过近100 a的研究和发展，因其具有良好的受力性能已广泛应用于交通工程、桥梁工程、高层建筑工程等领域。
基于有限元模拟的混凝土结构耐久性分析
基于有限元模拟的混凝土结构耐久性分析一、介绍混凝土结构是现代建筑中最常见的结构形式之一，而其耐久性则是影响其使用寿命的重要因素之一。
有限元模拟是一种常用的分析方法，可以模拟混凝土结构在不同环境和载荷下的力学性能，从而评估其耐久性。
本文将基于有限元模拟，对混凝土结构的耐久性进行分析。
二、混凝土结构的耐久性混凝土结构的耐久性受到多种因素的影响，包括环境、材料、设计和施工等。
其中，环境因素是影响混凝土结构耐久性的主要因素之一。
不同的环境条件会对混凝土结构造成不同的损伤，如氯离子渗透、二氧化碳侵入、冻融循环等。
此外，混凝土结构的材料和设计也会影响其耐久性，如混凝土的强度、骨料的选择、钢筋的布置等。
三、有限元模拟有限元模拟是一种数值分析方法，可以将实际的结构模型离散化为有限个节点和单元，并通过求解节点和单元之间的力学关系，分析结构在不同载荷和环境下的应力和变形等力学性能。
在混凝土结构的耐久性分析中，有限元模拟可以模拟混凝土结构在不同环境和载荷下的力学性能，从而评估其耐久性。
四、混凝土结构的有限元模拟混凝土结构的有限元模拟需要进行以下步骤：1. 建立模型：根据实际情况，建立混凝土结构的有限元模型，包括结构的几何形状、材料性质、加载方式等。
2. 网格划分：将结构模型离散化为有限个节点和单元，并确定节点和单元之间的连接关系。
3. 材料模型：根据混凝土结构的材料特性，选择合适的材料模型，包括材料的弹性模量、泊松比、抗拉强度、抗压强度等。
4. 载荷模型：根据实际情况，选择合适的载荷模型，包括静载荷、动载荷、温度载荷等。
5. 边界条件：确定结构模型的边界条件，包括支座、约束等。
6. 模拟分析：通过有限元软件进行模拟分析，并得到结构在不同载荷和环境下的应力和变形等力学性能。
五、有限元模拟在混凝土结构耐久性分析中的应用有限元模拟可以在混凝土结构的耐久性分析中发挥重要作用。
通过有限元模拟，可以模拟混凝土结构在不同环境和载荷下的力学性能，从而评估其耐久性。
基于Midas
d o i :10.3963/j .i s s n .1674-6066.2023.05.024基于M i d a s /F E A 模型的预制混凝土墙板加固砌体模拟分析薛海朋1,李 佳1,李向宇2(1.河北建研科技有限公司,石家庄050000;2.河北新源建筑工程检测有限公司,石家庄050000)摘 要: 采用预制钢筋混凝土墙板加固砌体可以有效提高砌体结构抗震性能㊂采用传统现浇钢筋混凝土面层和预制钢筋混凝土墙板构件对1ʒ2全缩尺素砌体墙进行单面加固试验㊂文中主要通过M i d a sF E A 非线性有限元软件对素砌体墙㊁现浇面层加固砌体㊁预制构件加固砌体进行数值模拟分析,结果表明:两种加固方式加固效果相当;采用预制混凝土构件加固砌体,可以有效提高砌体抗震性能,极限承载力提高6.25倍,最大位移降低约10倍㊂关键词: 砌体加固; 预制构件; 现浇面层; 非线性数值分析S i m u l a t i o nA n a l y s i s o fM a s o n r y S t r e n g t h e n e dw i t hP r e c a s tC o n c r e t eW a l l P a n e l sB a s e do n M i d a s /F E A M o d e lX U E H a i -p e n g 1,L I J i a 1,L IX i a n g -yu 2(1.H e b e i J i a n y a nT e c h n o l o g y C o ,L t d ,S h i j i a z h u a n g 050000,C h i n a ;2.H e b e iX i n y u a nC o n s t r u c t i o n E n g i n e e r i n g T e s t i n g C o ,L t d ,S h i j i a z h u a n g 050000,C h i n a )A b s t r a c t : S t r e n g t h e n i n g m a s o n r y w i t h p r e f a b r i c a t e d r e i n f o r c e d c o n c r e t ew a l l p a n e l s c a n e f f e c t i v e l y i m p r o v e t h e s e i s m i c p e r -f o r m a n c e o fm a s o n r y s t r u c t u r e s .As i n g l e s i d e r e i n f o r c e m e n t t e s tw a s c o n d u c t e d o n a 1ʒ2f u l l s c a l e p l a i nm a s o n r y w a l l u s i n g t r a d i t i o n a l c a s t -i n -p l a c e r e i n f o r c e d c o n c r e t e s u r f a c e l a y e r a n d p r e f a b r i c a t e d r e i n f o r c e d c o n c r e t ew a l l p a n e l c o m p o n e n t s .T h e a r t i -c l em a i n l y u s e sM id a s F E An o n l i ne a rf i n i t e e l e m e n t s o f t w a r e t o c o n d u c t n u m e r i c a l s i m u l a t i o n a n a l y s i s o n p l a i nm a s o n r y wa l l s ,r e i n f o r c e dm a s o n r y w i t h c a s t -i n -p l a c e s u r f a c e l a y e r s ,a n d r e i n f o r c e dm a s o n r y w i t h p r e f ab r ic a t e dc o m p o n e n t s .T h e r e s e a r c hr e -s u l t s s h o wt h a t t h e r e i n f o r c e m e n t e f f e c t s o f t h e t w o r e i n f o r c e m e n tm e t h o d s a r e e q u i v a l e n t .S t r e n g t h e n i n g m a s o n r y w i t h p r e f a b -r i c a t e d c o n c r e t e c o m p o n e n t sc a ne f f e c t i v e l y i m p r o v e i t ss e i s m i c p e r f o r m a n c e ,i n c r e a s e i t su l t i m a t eb e a r i n g c a p a c i t y b y 6.25t i m e s ,a n d r e d u c e i t sm a x i m u md i s p l a c e m e n t b y ab o u t 10t i m e s .K e y w o r d s : m a s o n r y r e i n f o rc e m e n t ; p r e f a b r i c a t ed c o m p o ne n t ; c a s t -i n -p l a c e s u r f a c e l a y e r ; n o n l i n e a r n u m e r i c a l a n a l y s i s 收稿日期:2023-05-01.作者简介:薛海朋(1990-),工程师.E -m a i l :1850416067@q q.c o m 砌体结构是指用砖砌体㊁石砌体或砌块砌体建造的结构[1],其中块体与砂浆砌筑而成的墙㊁柱为建筑物的主要受力构件[2]㊂砌体结构是一种传统的结构形式,在人类建筑工程发展史上发挥了极其重要的作用[3]㊂砌体结构有众多优点:砌体房屋使用的建筑材料均为地方材料,可根据当地砖㊁石开采量择优选取㊁就地取材;砖㊁石等地方材料一般价格便宜,钢筋㊁水泥等价格相对较高,与混凝土结构相比可以降低大量成本,同时砌体结构施工方便,工艺简单,不需要特殊机械设备,工人易学易用;砖㊁石材料具有很好的耐火性㊁较好的化学稳定性和大气稳定性,具有较好的隔热㊁隔声性能[4]㊂因此,从1949年建国以来,我国建造了大量的彻体结构房屋[5]㊂至今,我国众多砌体房屋已经超出正常设计使用年限,并且由于当时经济与技术水平落后,砌体房屋均未进行抗震设防设施或是不满足当下抗震设防规范的要求㊂‘住房和城乡建设部关于在实施城市更新行动中防止大拆大建问题的通知“中表明,除违法建筑和经专业机构鉴定为危房且无修缮保留价值的建筑外,不大规模㊁成片集中拆除现状建筑,鼓励对既有建筑保留修缮加固,提高安全性㊁适用性和节能水平[6]㊂89建材世界 2023年 第44卷 第5期根据‘砖混结构加固与修复“(15G 611)[7]㊁‘砌体结构加固设计规范“(G B50708 2011)[8]等规范,针对砌体的常规加固方法有增设钢筋混凝土面层法㊁增设圈梁㊁增设构造柱等㊂传统的加固方法存在大量的现场湿作业,不仅对环境影响大,而且施工周期长,生产效率低,影响居民的正常使用㊂自从‘国务院办公厅关于大力发展装配式建筑的指导意见“[9](国办发 2016 71号)的提出,装配式建筑产业得到飞速发展,到目前为止已经形成一套完整的装配式建筑设计与施工体系㊂装配式工程有较为突出的优点,如可以将大量湿作业㊁过程作业转移到工厂中进行,一方面厂家可以通过机械加工控制施工质量,防止不同批次质量产生较大波动,另一方面加工污染物可被限制在加工区域范围内,避免扩散污染,易集中处理[10]㊂节约建材㊁降低能源消耗和废水排放量等特点适合国家节能减排㊁绿色建设的发展策略,也满足经济社会可持续发展的要求㊂装配式技术的优点有很多,但是我国对于将装配式技术应用于加固砌体的研究还比较少,如何使预制构件与砌体很好的协同工作等的研究以及工程应用的推广均处于初始阶段㊂采用传统现浇面层加固法和预制构件加固法对素砌体墙进行加固处理,通过M i d a sF E A 非线性有限元软件对素砌体墙㊁现浇面层加固砌体㊁预制构件加固砌体进行数值模拟分析,对比模拟结果,研究预制混凝土墙板加固后砌体的抗震性能,分析其在砌体材料上应用的可行性㊂1 加固介绍1.1 素砌体墙模型砌体房屋结构中,主要受力构件为墙体㊂为满足用户日常使用要求,一般纵墙会开设多个门窗洞口;由于纵墙开设的洞口较多,不利于承受荷载,砌体结构中大多为横墙承重;砌体房屋一般开间不大进深较大,从而横墙布置较多㊂总之,由于横墙结构单一㊁数量较多且为主要的受力构件,因此从某一项目中选择一片合适的横墙作为研究对象,进行数值模拟分析㊂经过相似比例准则推导,原型和缩尺模型的材料一致的情况下,两者测量的应力也相同[11]㊂数值模型中砌体墙缩尺模型如图1所示㊂砌体墙厚120mm ㊁长1400mm ㊁高1200mm ,砖强度为MU 10,砂浆强度为M 1(其中,底部与地梁连接处和顶部三层砖砂浆强度提高为M 10),素砌体墙命名为TW -1㊂1.2 加固方式对素砌体墙进行加固处理,加固方法为预制混凝土构件加固与现浇面层加固,并分别命名为R TW -1和R TW -2㊂R TW -1预制混凝土板厚40mm ,采用C 50强度灌浆料浇筑成型㊂预制构件顶部甩出80mm 弯钩,侧边甩出150mm 弯钩,分别与顶部水平钢筋㊁中部竖直钢筋绑扎㊂R TW -1预制混凝土构件底部中央均预留(200~260)ˑ300mm 的梯形孔洞,后期浇筑形成抗剪后浇带㊂抗剪后浇带是由地梁中预埋U 型钢筋与预制构件中的等代钢筋焊接后浇筑而成,提高预制构件与地梁的连接作用,替代常用的水平后浇带连接做法,减少现场湿作业工程量,便于预制构件就位安装㊂R TW -1具体加固示意图如图2(a )所示㊂R TW -2加固面层厚度为50mm ,也采用C 50强度灌浆料浇筑成型,R TW -2加固示意图如图2(b)所示㊂99建材世界 2023年 第44卷 第5期2数值模拟分析2.1有限元模型的建立M i d a s F E A提供多种几何模型的建立方式,建模方式具有很好的兼容性,可以直接导入其他软件中已经建好的三维实体模型[13]㊂选用直接建模方法建立三维实体模型,M i d a s F E A有限元模型中素墙㊁预制构件㊁现浇面层均采用3D箱形实体单元建立;抗剪后浇带采用3D锲形实体单元建立,并与3D箱形单元做差集布尔运算形成图3所示的几何外形;钢筋采用几何菜单栏 顶点与曲线 中的直线工具建立;钢筋网片通过直线工具的复制平移建立㊂素墙3D箱形几何单元采用砌体本构模型;预制构件㊁现浇面层3D箱形几何单元采用混凝土损伤本构模型,后浇带3D锲形单元同样采用混凝土损伤本构模型;钢筋网片直线属性选用1D植入式桁架(本构模型为线弹性),截面面积为28.27m m2㊂2.2数值模拟结果使用M i d a sF E A软件建立三个模型,分别为单一素墙有限元分析模型㊁现浇面层加固素墙模型㊁预制构件加固素墙模型,模型示意图如图4~图6所示㊂三个模型中素墙㊁地梁几何尺寸与网格划分等均相同,仅对地梁底部进行固定连接约束,素墙采用同一砌体材料与砌体本构,在相同大小竖向压力下进行模拟分析㊂对同样素墙采用现浇面层加固法和装配式加固法进行加固,并用软件进行有限元模拟㊂2.2.1位移结果云图经过M i d a sF E A有限元软件的计算得到三个模型素墙最大位移结果云图,如图7~图9所示㊂由图7可知:1)素墙TW-1最大位移为12.15mm,发生在水平荷载作用点(墙体左上位置)处㊂墙体顶部右侧(墙体右上位置)处,位移为7.44mm;2)从宏观角度分析,TW-1位移从上到下逐层减小,墙体变形为001逐层平移趋势㊂由图8可知:1)现浇面层加固R TW -2墙体中最大位移为0.801mm ,发生在水平荷载作用点(墙体左上位置)处㊂墙体顶部右侧(墙体右上位置)处,位移为0.164mm ;2)R TW -2墙体中现浇面层最大位移为0.7mm ,也发生在墙体左上角处㊂面层右上角处位移为0.16mm ;3)对比图8(a )㊁图8(b ),并从宏观角度分析,素墙和现浇面层的变形基本都集中在右上角部位,不再像单一素墙那样逐层平移㊂出现这一现象的原因是,现浇面层的加入约束了素墙的变形,提高了其整体的刚度,使得受荷载附近有较大变形,远离端基本不受影响㊂由图9可知:1)预制构件加固法R TW -1素墙最大位移为1.1077mm ,发生在水平荷载作用点(墙体左上位置)处㊂墙体顶部右侧(墙体右上位置)处,位移为0.18mm ;2)R TW -1墙体中预制面层最大位移为0.88mm ,也发生在墙体左上角处㊂面层右上角处位移为0.179mm ;3)对比图9中各图,可以得到和图8相同的结论㊂综上所述:1)TW -1素墙位移最大,为12mm ,R TW -1㊁R TW -2位移相近也很小,约为1mm 左右;2)从宏观角度看,TW -1素墙变形趋势为逐层减小,R TW -1㊁R TW -2变形基本集中在右上角部位㊂2.2.2 应变结果云图经过M i d a s F E A 有限元软件分析计算得到三个墙体极限荷载下的应变结果云图,如图10~图12所示㊂由图10可知:1)素墙TW -1最大应变为0.0095,发生在水平荷载作用点(墙体左上位置)处;2)素墙中存在两处应变较大区域,分别位于墙体的左上角和右下角,左上角区域最大应变为0.0095,也是整片墙体最大应变位置,右下角区域最大应变为0.0073;3)如图10(b ),两区域最大应变连接线附近应变均较大,并以虚线为分界线,向两侧减小,砌体墙应变趋势为斜向贯通㊂由图11可知:1)现浇面层加固R TW -2墙体中最101大应变为0.00107,发生在素墙顶部位置处;2)现浇加固法R TW -2中素墙应变较大区域位于墙体顶部;3)如图11(a )所示,R TW -2砌体墙应变大都分布在虚线上方的三角形区域㊂砌体应变趋势不再是斜向贯通,并向两侧减小,而是集中在斜三角区域,这是因为竖向荷载对砌体的应变起主导作用,一小部分水平荷载参与其中,最终应变趋势由逐层减小发展成左侧区域大右侧区域小的斜三角形状逐层减小的趋势;4)从图11(b )可以看出,现浇加固法R TW -2中现浇面层最大应变为0.00042,应变存在两个较大区域,分别位于面层左上角和右下角区域,最大应变分别为0.00042和0.00012;5)R TW -2现浇面层应变变化趋势为由左上角区域向右下角区域斜向过渡,然后向两侧递减㊂与单一素墙应变变化趋势对比,发现应变变化趋势均是斜向贯通变化后向两侧递减㊂出现这一现象的原因是,水平荷载起主导作用,几乎全部由现浇面层承担,面层受剪使得面层沿斜向45ʎ方向出现最大变形㊂由图12可知:1)装配式加固法R TW -1墙体中最大应变为0.0013,发生在砌体墙顶部位置(水平荷载与竖向荷载相交)处;2)装配式加固法R TW -1砌体墙应变较大区域位于墙体顶部;3)由图12(a )可以发现,R TW -1砌体墙应变大部分都分布在虚线上方的三角形区域,与现浇面层法中砌体应变趋势相似,形成原因类似;4)从图12(b )可以看出,装配式加固法R TW -1中预制构件最大应变为0.00054,应变也存在两个较大区域,分别位于预制构件左上角和右下角区域,最大应变分别为0.00054和0.0001;5)R TW -1预制面层应变变化趋势与现浇面层加固法相似,可达到和现浇法相似的加固效果㊂综上所述:TW -1素墙应变最大,为0.0095,R TW -1㊁R TW -2最大应变相近也很小,约为0.0011左右,加固后最大应变降低约9倍㊂2.2.3 应力结果云图经过M i d a sF E A 软件的计算得到三个模型素墙最大实体应力结果云图,如图13~图15所示㊂由图13可知:1)素墙TW -1最大应力为0.546N /mm 2,发生在水平荷载作用点(墙体左上角位置)处;2)除去水平荷载附近处应力较大节点外,右下角区域节点应力最大,左上角区域节点应力较大是由于水平外力施加引起的,右下角区域节点应力较大,是砌体墙受力后反应,此区域是该模拟主要关注的区域,其最大应力为0.41N /mm 2;3)如图13(b )所示,砌体墙在外力作用点斜45ʎ方向区域应力较大(虚线处),并以虚线为分界线,向两侧减小㊂由图14可知:1)现浇面层加固R TW -2墙体中最大应力为18.06N /mm 2,发生在现浇面层水平荷载作用点(墙体左上角位置)处;2)现浇加固法R TW -2砌体墙应力最大为0.0618N /mm 2,发生在砌体墙顶部;3)如图14(a )所示,R TW -2砌体墙应力大都分布在虚线上方的三角形区域㊂砌体应力趋势201不再是斜向45ʎ区域最大,并向两侧减小,而是集中在顶部斜三角区域,砌体顶部三角形区域的应力应该主要是竖向荷载引起,水平荷载基本不参与工作,最终应力基本集中在墙体顶部并逐层减小;4)从图14(b )可以看出,现浇加固法R TW -2中现浇面层最大应力为18.06N /mm 2,右上角最大应力是由水平外力荷载引起的,除去此区域的节点,左下角和右下角区域节点应力较大,是现浇面层受力后的反应,此区域是该模拟主要关注的区域,其最大应力分别为10.31N /mm 2和6.29N /mm 2,反映出现浇面层加固法最先破坏的部位应在左下角和右下角附近㊂由图15可知:1)预制构件加固法R TW -1墙体中最大应力为23.19N /mm 2,也发生在现浇面层水平荷载作用点(墙体左上角位置)处;2)预制构件加固法R TW -1砌体墙应力最大为0.0752N /mm 2,发生在砌体墙顶部;3)如图15(a )所示,R TW -2砌体墙应力也大都分布在虚线上方的三角形区域㊂砌体应力分布趋势与现浇面层加固法结果相似;4)从图15(b )可以看出,预制构件加固法R TW -1中预制构件最大应力为23.19N /mm 2,应力分布形式与R TW -2相似,因此该模拟主要关注的区域不变,其最大应力分别为9.879N /mm 2和7.27N /mm 2㊂综上所述:1)TW -1素墙应力最大为0.546N /mm 2,R TW -1㊁R TW -2应力分布形式相近,均分布在左下角和右下角区域,大约为10N /mm 2和7N /mm 2左右;2)R TW -2墙体中砌体墙最大应力为0.0618N /mm 2,现浇面层最大应力为10.31N /mm 2,在墙体受力过程中受力分配比例是1ʒ166,外力基本由现浇面层承受;3)R TW -1墙体中砌体墙最大应力为0.0752N /mm 2,预制构件最大应力为9.879N /mm 2,在墙体受力过程中受力分配比例是1ʒ131,外力基本也是由预制构件承受,抗震效果与现浇面层加固法相当㊂301建材世界2023年第44卷第5期2.2.4抗震性能指标根据有限元分析,分别从结构的承载力和墙体应变等方面分析比较各个试件的抗震性能㊂从表1中可以可看出:1)现浇加固法与预制构件加固法峰值荷载为100k N左右,峰值承载力基本相同,相对于未加固素墙承载力提高约6.25倍;2)TW-1峰值位移为12.15mm,R TW-1㊁R TW-2峰值位移分别为1.11mm和0.8mm(相差不大,均在同一量级),与TW-1相比降低90.86%和96.41%;3)TW-1平均刚度为1.32k N/mm,R TW-1㊁R TW-2平均刚度分别为90.33k N/mm和125k N/mm,与TW-1相比抗侧向刚度分别提高了68.4㊁94.7倍㊂综上所述:R TW-1㊁R TW-2抗震性能基本相同㊂与未加固素墙TW-1相比,加固后墙体刚度有明显提高,有利于素墙抗震承载力的提升㊂表1试件峰值力㊁位移㊁平均刚度试件编号峰值力/k N峰值位移/mm平均刚度/(k N㊃mm-1)TW-11612.151.32R TW-11001.10790.33R TW-21000.8125注:峰值点割线的斜率近似表示为平均刚度㊂3结论采用有限元软件M i d a sF E A对全缩尺素墙㊁预制混凝土墙板加固全缩尺素墙㊁现浇混凝土面层加固全缩尺素墙进行数值模拟分析,分析三种加固方式下的三片砌体墙抗震性能,得到如下结论:a.TW-1素墙最大位移为12mm,R TW-1㊁R TW-2最大位移为1mm左右(总位移相近),与素墙TW-1相比降低约10倍;R TW-1㊁R TW-2总位移变形趋势相似,不再是逐层变化;从总位移结果中可以看出: R TW-1㊁R TW-2加固后的墙体位移变化相近,加固面层对砌体墙起到很好的约束作用,使得墙体刚度得到提升,进而减少墙体的总位移,抗震性能显著提高㊂b.TW-1素墙应变最大为0.0095,R TW-1㊁R TW-2最大应变相近也很小,约为0.0011左右,加固后最大应变降低约9倍,并且R TW-1应变变化趋势与现浇面层加固法相似,可达到和现浇法相似的加固效果㊂c.R TW-1墙体中砌体墙最大应力为0.0752N/mm2,预制构件最大应力为9.879N/mm2,在墙体受力过程中受力分配比例是1ʒ131;R TW-2中砌体墙最大应力为0.0618N/mm2,现浇面层最大应力为10.31N/mm2,受力分配比例是1ʒ166㊂从应力结果中可以看出:加固后墙体外力基本由加固面层承受,且两种加固方式加固抗震效果相当㊂d.现浇加固法与预制构件加固法峰值荷载为100k N左右,峰值承载力基本相同,相对于未加固素墙承载力提高约6.25倍,R TW-1㊁R TW-2抗震性能基本相同㊂与未加固素墙TW-1相比,加固后墙体刚度有明显提高,有利于素墙抗震承载力的提升㊂参考文献[1]施楚贤.砌体结构理论与设计[M].2版.北京:中国建筑工业出版社,2003.[2] G B50003 2011,砌体结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2011.[3]苗启松.既有砌体住宅装配化外套加固技术与方法[J].城市与减灾,2019(5):25-29.[4]岱新,龚绍熙,周炳章.砌体结构设计规范理解与应用[M].2版.北京:中国建筑工业出版社,2012.[5]钱旭亮,吴刚.外加预制圈梁构造柱提升砌体结构整体抗震性能研究[D].南京:东南大学,2016.[6]黄艳.统筹城市规划建设管理,提高城市治理水平[J].中华建设,2021(11):6-9.[7]中国建筑科学研究院结构所.砖混结构加固与修复[M].北京:中国计划出版社,2009.[8] G B50702 2011,砌体结构加固设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.[9]国务院办公厅.国务院办公厅关于大力发展装配式建筑的指导意见[J].中华人民共和国国务院公报,2016(29):24-26.[10]王彦超.北京市装配式住宅推广应用影响因素及对策研究[D].北京:北京交通大学,2019.[11]吴建锋.单面预制R C板墙-碳纤维布加固老旧砖砌体结构住宅抗震性能研究[D].北京:中国矿业大学,2017.[12]郭磊.预制混凝土柱-钢梁装配式节点受力性能研究[D].北京:北京建筑大学,2022.[13]北京迈达斯技术有限公司.M i d a sF E A分析与计算原理[M].北京:北京迈达斯技术有限公司.401。
素混凝土和钢纤维混凝土的剪切试验研究
ｌ
ｌ
图 １ 双 面直 接 剪切
Байду номын сангаас
１ 实施 方 案 的 确 定
在实际工程中， 混凝土因纯剪应力而引起破坏的情况较少 ， 因 而混凝土抗剪强度这一指标一直没有受到广泛重视。随着混凝土
０ 前 言
钢纤维混凝 土是 由水 泥 、 粗骨料 、 砂浆和钢纤维组成的。分 布在混凝土 内不规则 的钢纤 维 ， 其钢纤维 间距要 比置放在混凝
杂的应 力状态中 ， 试验方法不同 ， 剪切面的受力状态也就不 同， 这 些试验方法都是纯剪切状态的近似 ，而不是严格意义上 的 Ｉ型断 Ｉ 裂。因此不同的试验方法会得出差别较大的抗剪切性能的结论 。
土里 面的钢筋和箍 筋 的间距 要小 的多 ，因此 阻止 了裂缝 的形
成 ， 混凝 土的抗裂强度得到提高 。钢纤维混凝土作 为建筑材 使 料在近几 十年得 到广泛应用 。 一般多用于剪力墙结 构 、 框架一 剪
力墙结构 、 支剪力墙结构 中的剪力墙 中； 框 深粱 、 牛腿 和其它的 梁柱节点局部增强 ； 面的铺 设 、 桥 补强 和修补 ； 飞机跑道等 。这
通过对试验数据研究 ， 探讨 了素混凝土及钢纤维混凝土的剪应力与若 干其它相关指标的联系 。 关键 词： 钢纤维混凝 土；有 限元 ；剪应力 ；拉应力
中图分类号 ： Ｔ ５ ８ １ Ｕ ２． ０ 文献标 志码 ： Ａ 文章编号 ： １０ — ５ ０ （０ ７ ０ — ０ ０ ０ ０ ２ ３ ５ 一 ２ ０ ）８ ０ ３— ４
（ ． ｉｏ ｈ ｎ Ｕｎｖ ｒ ｔ ， ｉｏ ｈ ｎ ５ ０ ９ Ｃ ｉａ ２ Ｓ ａ ｄ ｎ Ｕｎｖ ｒ ｔ ｏ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ ， ｉ ｏ２ ５ ４ ， ｈｎ ） １ Ｌ ａ ｃ ｅ ｇ ｉｅｓ ｙ Ｌａ ｃ ｅ ｇ２ ２ ５ ， ｈｎ ； ． ｈ ｎ ｏ ｇ ｉｅ ｓ ｉ ｉ ｆ ｅ ｈ ｏｏ ｙ Ｚ ｂ ５ ０ ９ Ｃ ｉａ ｙ
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
钢筋混凝土与素混凝土有限元模拟对比分析 Comparison and analysis of finite element simulation of reinforced concrete and plain concrete 李君 Li Jun （广西大学 土木建筑工程学院，广西 南宁 530004）
(College of Civil and Architectural Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China) 摘要：钢砼内钢筋与砼弹性模量相差很大，但钢筋用量少，截面积所占比例少，忽略钢筋进行计算，可以减少很多繁琐的计算。
本文利用abaqus 进行模拟，计算钢筋砼与素砼在相同受荷条件下的应力和挠度，同时假定钢筋和砼均在弹性范围内。
Abstract: the steel in reinforced concrete and concrete elastic modulus vary widely, but the steel consumption, less proportion of sectional area, ignore reinforced calculation, can reduce a lot of tedious calculation. In this paper, using abaqus simulation, calculation of reinforced concrete and plain concrete in the same load conditions of the deflection and stress, at the same time assume that steel and concrete are within the elastic range. 通过摸拟计算如图的钢砼简支梁与不计钢筋的该梁，求出跨中应力和挠度及比值。
为了避免出现梁局部受压破坏，在支座和集中力作用处设置0.2m*0.1m*0.05m 的钢板，取材料特性如下：
1、混凝土：弹性模量2c 3e10N/m =E ,密度32400kg/m =c ρ,2.0=μ
2、钢筋：弹性模量22.1e11N/m =Es ,密度300kg/m 87=s ρ,3.0=μ
3、垫块：弹性模量22.1e12N/m =E ,密度300kg/m 87=ρ,3.0=μ
一、建立模型
1、创建部件，选择进入部件模块
创建混凝土梁：点击创建部件图标，进入创建部件对话框，部件名称liang ，选择三维实体拉伸类型，大致尺寸取0.6，点击继续，进入二维绘图界面，绘制梁截面0.2m*0.3m ，完成后输入梁长度2m ，所创建的梁部件如下图。
创建垫块：点击创建部件图标，进入创建部件对话框，部件名称dian，选择三维实体拉伸类型，大致尺寸取0.2，点击继续，进入二维绘图界面，绘制垫块截面0.05m*0.1m，完成后输入垫块长度0.2m。
创建受力筋：点击创建部件图标，进入创建部件对话框，部件名称shou，选择三维线性拉伸类型，大致尺寸取2，点击继续，进入二维绘图界面，选择绘制线性工具，输入坐标(-0.975，0)、(0.975，0)，所创建的受力筋部件如下图。
创建架力筋：点击创建部件图标，进入创建部件对话框，部件名称jia，选择三维线性拉伸类型，大致尺寸取2，点击继续，进入二维绘图界面，选择绘制线性工具，输入坐标(-0.975，0)、(0.975，0)，。
创建箍筋：点击创建部件图标，进入创建部件对话框，部件名称gu，选择三维线性拉伸类型，大致尺寸取0.5，点击继续，进入二维绘图界面，选择绘制矩形工具，输入坐标(0，0)、(0.14，0.24)，所创建的箍筋部件如下图。
2、定义材料和截面属性
在菜单栏模块列表中选择特性模块，在此模块中定义砼、垫块和钢筋的本构关系和截面属性，并将截面属性赋予到相应的部件上。
1) 定义材料
定义砼本构关系：在对话框中输入材料名称hun，常规特性选项下输入密度2400，力学特性选项下设定弹性模量3e10，泊松比0.2。
定义钢筋本构关系：在对话框中输入材料名称gang，常规特性选项下输入密度7800，力学特性选项下设定弹性模量2.0e11，泊松比0.3。
2)定义截面属性
定义砼梁截面属性：在对话框中输入截面名称liang，种类设为实体均质，材料选择hun，其它参数保特不变，点击完成。
定义垫块截面属性：在对话框中输入截面名称dian，种类设为实体均质，材料选择dian，其它参数保特不变，点击完成。
定义受力筋截面属性：在对话框中输入截面名称shou，种类设为梁，类型选择桁架，其它参数不变，点击继续，在对话框中材料选择gang，输入截面面积201e-6，点击确定。
利用同样的方法建立架立筋和箍筋截面，名称为jia和gu的截图属性，截面面积分别为113e-6和50.3e-6。
3)给部件赋予截面属性
在环保栏部件选项中选择liang，点击左侧工具栏的截面赋予图标，选中liang部件，在编辑截面赋予对话框中选中截面liang，点击确定，部件变为青色。
利用同样的方法对垫块、受拉筋、架立筋和箍筋赋予相应的截面属性。
3、定义装配件
在环境栏模块列表中选择装配功能模块，点击工具栏的创建实体图标，在对话框中选择liang部件，实体类型设为独立，勾选自动偏离其他实体，生成梁部件的三维图。
利用同样的方法生成垫块、受力筋、架立筋和箍筋的三维图。
利用移动、旋转和阵列工具，形成砼梁、钢筋笼，利用合并工具将钢筋笼合并为一个实体part1，最后将其移至砼梁中，结果如下图。
4、定义分析步
在环境栏模块列表中选择分析步功能模块，点击创建分析步图标，在对话框中选择静力一般类型，分析步时间10秒，最大增量步数1000，初始增量步0.1，最小增量步0.0001，最大增量步10。
5、定义约束
在环境栏模块列表中选择相互作用功能模块来定义模型间的相互约束关系。
点击工具区的定义相互作用图标，定义垫块与梁的绑定关系和钢筋笼与砼梁的內置区域关系。
通过定义基准、参考点，然后定义集中力作用点的藕合关系。
6、定义荷载和边界条件
在环境栏模块列表中选择荷载功能模块，进行荷载和边界条件的定义。
定义边界条件：点击工具栏的定义边界条件图标，在对话框中选择位移和转角类型，选择支座垫块底面，设置U1、U2、UR2、UR3为0。
定义荷载：点击工具栏的定义荷载图标，在对话框中选择集中力类型，选择跨中垫块参考点，在CF2栏中输入-10000。
7、划分网络
在环境栏模块列表中选择划分网络功能模块。
为使网络整齐，在划分网络前，对梁进行分区。
点击布置种子图标，在对话框中输入种子大致尺寸0.1，点击完成。
点击划分网络图标，选择全部模型，点击完成，结果如图。
8、提交分析作业
在环境栏模块列表中选择作业功能模块，建立作业，提交。
在计算素混凝土时，将part1和钢筋笼的内置区域禁用，重新建立作业即可。
二、结果分析
钢筋混凝土梁计算结果：跨中最大挠度9.649e-5m,跨中混凝土最大拉应力7.21e5N/m2
钢筋混凝土梁挠度图
钢筋混凝土梁应力图
素混凝土梁计算结果：跨中最大挠度11.28e-5m,跨中混凝土最大拉应力9.829e5N/m2
两种情况对比：跨中挠度比9.649e-5/11.28e-5=0.8554，应力比7.21/9.829=0.7335。
三、结论
忽略钢筋对简支梁进行计算，跨中挠度比较接近，而跨中应力相差较大。
原因：由于钢筋截面积较小，对整个梁的截面刚度提升不大，故挠度变化不大；而因为钢筋存在，梁的受压高度发生改变，这时忽略钢筋计算应力是没有意义的。
参考文献
[1]王玉镯,傅传国. ABAQUS结构工程分析及实例详解[M].北京：中国建筑工业出版社，
2010
[2] 王勖成. 有限单元法[M]，北京，清华大学出版社，2003.7。