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鋼筋混凝土簡支梁的研究在土木工程領(lǐng)域具有代表性意義，其受力性能可通過理論計(jì)算、實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及有限元分析。其中有限單元法在建筑行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用，涉及高層建筑、橋梁設(shè)計(jì)、路面路基、邊坡工程等，表明有限單元分析法在結(jié)構(gòu)受力分析會逐漸成為一種可以替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)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(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系、應(yīng)力與應(yīng)變對于混凝土的損傷、荷載與位移的關(guān)系等，它們主要是對鋼筋混凝土中非線性結(jié)構(gòu)的有限元分析。
本文采用ANSYS進(jìn)行了鋼筋混凝土簡支梁受彎的實(shí)體有限元分析，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和有限元理論計(jì)算結(jié)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(jié)點(diǎn)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(jì)算運(yùn)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(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fcu，k=30MPa，單軸抗壓強(qiáng)度fc=14.3MPa，單軸抗拉強(qiáng)度ft=1.43MPa。有限元計(jì)算過程中，混凝土開裂以后需要考慮裂縫開展以后繼續(xù)傳遞剪力的能力，本模擬中張開裂縫的剪力傳遞系數(shù)取為0.5，閉合裂縫的剪力傳遞系數(shù)取為0.95。
混凝土單軸應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系上升段采用GB50010-2012規(guī)定的公式，不考慮下降段。
按照規(guī)范，相關(guān)參數(shù)分別取為：n=2，ε0=0.002。在ANSYS命令流中，上述應(yīng)力應(yīng)變曲線關(guān)系，可以用多個關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行輸入。
混凝土材料的本構(gòu)關(guān)系采用多線性等向強(qiáng)化模型MISO。鋼筋材料的計(jì)算數(shù)值信息為：屈服強(qiáng)度fy=300MPa，彈性模量Es=2.0×e5MPa，泊松比vs=0.3。鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系采用理想彈塑性模型。
據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范可以知道，宏觀可見的混凝土裂縫寬度在0.05mm以上，根據(jù)實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果分析可知，在加載荷載值達(dá)到50kN左右時，出現(xiàn)可見的混凝土斜裂縫。本次試驗(yàn)的最大加載荷載值為80kN。每當(dāng)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(tài)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(yàn)的材料、大小相同，并取相同的荷載加載值所產(chǎn)生的裂縫，具體裂縫開展情況如圖4所示。
根據(jù)圖3，圖4可以看出，實(shí)驗(yàn)表明在支座處主要表現(xiàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。
跨中位移主要根據(jù)百分表所測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過簡單計(jì)算所得出荷載與位移的關(guān)系。根據(jù)有限單元分析計(jì)算可以得到相關(guān)的荷載與位移曲線，經(jīng)過數(shù)據(jù)的整合可以得到與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的多條荷載位移曲線，如圖5所示。
根據(jù)圖5可以看出，從最初的加載開始，通過有限元分析結(jié)果的撓度值一直比實(shí)驗(yàn)結(jié)果的撓度值小；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?yàn)锳NSYS計(jì)算時所采取的屈服面模型與實(shí)際情況有一定差異，在模擬彈塑性能時準(zhǔn)確性不足。
1)鋼筋混凝土簡支梁在承受荷載作用下產(chǎn)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(chǎn)生的裂縫基本相同。
2)通過實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jié)果的位移要大。
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