鋼筋混凝土有限元分析報(bào)告（一）

2017-01-23 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

一、前言:

成立一個(gè)專業(yè)工作組,專門來(lái)研究鋼筋混凝土采用有限元分析的想法是A.C.Scordelis在1977年5月間寫給有關(guān)的知名人士的信中首先提出的。1977年8月他向美國(guó)土木工程師學(xué)會(huì)結(jié)構(gòu)分會(huì)的執(zhí)行委員會(huì)提議,成立一個(gè)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有限元分析工作委員會(huì)。執(zhí)行委員會(huì)對(duì)此表示贊同,同意在混凝土與圬工結(jié)構(gòu)委員會(huì)下面設(shè)立這樣一個(gè)組。初始成員有20人,由A.H.Nilson擔(dān)任主席。

工作委員會(huì)的規(guī)定任務(wù)是評(píng)論、聯(lián)系、推廣和促進(jìn)鋼筋混凝土和圬工結(jié)構(gòu)有限元分析的信息和探索研究,并研究所建議的各種分析模型、理論以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),以便為它們?cè)谠O(shè)計(jì)中的應(yīng)用作恰當(dāng)?shù)慕榻B。

實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的的主要手段是編寫這本綜合性的技術(shù)現(xiàn)狀報(bào)告。報(bào)告總結(jié)了用于鋼筋混凝土有限元分析的各個(gè)特點(diǎn),其中有:本構(gòu)關(guān)系、破壞理論、多軸向應(yīng)力理論、鋼筋的模擬、鋼筋與混凝土之間的結(jié)合面性能、裂縫的表示方法、剪力轉(zhuǎn)移的機(jī)理、周期荷載和動(dòng)力荷載的效應(yīng),以及徐變、收縮和溫度變化等與時(shí)間相關(guān)的效應(yīng)。還回顧了具有這些特點(diǎn)在內(nèi)的另外一些方法,給出了最近的應(yīng)用實(shí)例,對(duì)分析結(jié)果和實(shí)測(cè)性能(凡能得到的)都作了對(duì)比?，F(xiàn)有的一般計(jì)算程序也都列在附錄中,以供參考。

本書不想作為“使用者的手冊(cè)”。因?yàn)榕c鋼筋混凝土有限元分析有關(guān)的復(fù)雜問(wèn)題是很多很多的,如果沒(méi)有很廣泛的基礎(chǔ)知識(shí),可能會(huì)妨礙這一方法的正常使用。像材料性能的最佳表示法或者模擬徐變的最佳方法等一類問(wèn)題也還沒(méi)有得到大家一致的同意。但是不管這類尚未解決的問(wèn)題怎么樣,鋼筋混凝土有限元分析是一個(gè)有實(shí)踐意義的現(xiàn)實(shí)。它對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件的性能有了新的理解,而且已經(jīng)作為重要結(jié)構(gòu)(如大跨度組合式橋梁和海上采油平臺(tái)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)等)的設(shè)計(jì)上的依據(jù)。預(yù)計(jì)這種應(yīng)用必將繼續(xù)增加,而且它在一般問(wèn)題中的應(yīng)用也將會(huì)變得更加頻繁。

二、背景:

鋼筋混凝土構(gòu)件和結(jié)構(gòu)體系的性能,特別是它們對(duì)于荷載或者其它作用力的反應(yīng)特性,是本世紀(jì)以來(lái)一直在深入研究的課題。由于研制一個(gè)合理的分析方法甚為復(fù)雜,現(xiàn)行的設(shè)計(jì)方法在很多方面仍然沿用大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)成果從經(jīng)驗(yàn)上逼近實(shí)際的辦法。最典型的例子就是普通梁中的剪力和斜拉力設(shè)計(jì)。盡管已有成百的試驗(yàn)研究,但仍然未能得出合理的抗剪設(shè)計(jì)方法。各種規(guī)范所規(guī)定的方法還是采用與試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線擬合的剪切抗力表達(dá)式。在最近的抗扭設(shè)計(jì)中也可以找到同樣的例子。

在過(guò)去,這種辦法是必要的。對(duì)常規(guī)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō),它至今仍然是一種最為簡(jiǎn)便有用的方法。然而,至今有限單元法已為研究鋼筋混凝土性能提供了一種有力的、通用的分析工具。鋼筋混凝土開(kāi)裂、受拉區(qū)的勁化、材料的非線性與多軸向特性、鋼筋與混凝土結(jié)合面的復(fù)雜性質(zhì)以及其它早先被忽略掉的或者用非常近似的辦法處理的那些因素,現(xiàn)在都可以合理地加以模擬了。通過(guò)這些有限單元法的研究,其中一些主要參數(shù)可以方便地和有條不紊地加以變化。所得出的新見(jiàn)解可為常規(guī)設(shè)計(jì)所采用的規(guī)范規(guī)程提供更為可靠的依據(jù)。此外,有限單元法還可以直接用來(lái)分析和設(shè)計(jì)復(fù)雜的結(jié)構(gòu),例如組合式箱型梁式橋、海上采油平臺(tái)、核反應(yīng)堆容器等等。這些結(jié)構(gòu)是不能用太近似的方法作一般處理。

試驗(yàn)研究仍然是需要的。無(wú)論是為了給經(jīng)驗(yàn)公式(在尋常設(shè)計(jì)的許多方面至今仍在采用)提供更可靠的依據(jù),還是為了更精密的有限元分析提供必要的資料來(lái)說(shuō),都是如此。其次,也還需要用試驗(yàn)求得材料的性質(zhì)及結(jié)合面特性的資料,這兩者都是有限元分析中有代表性的基本輸入數(shù)據(jù)。同樣,也有必要得出試驗(yàn)成果以便與有限元計(jì)算的結(jié)果作對(duì)比。然而,試驗(yàn)的數(shù)量卻可以大大減少,可以只作一些最基本的試驗(yàn),其成果將更為通用。對(duì)于那些參數(shù)在全范圍內(nèi)需要變化的大尺寸試驗(yàn),試驗(yàn)次數(shù)就可大大減少。

最后,還得注意,在研制和應(yīng)用有限元分析方法時(shí),關(guān)鍵是要把注意力集中在通常沒(méi)有考慮到的那些特性上。例如,在普通梁和深梁中,斜裂縫形成和擴(kuò)展時(shí),混凝土應(yīng)力的雙向性是很重要的。又如,在裂縫形成以后,裂縫附近的混凝土?xí)艿叫遁d的影響和重新加載的影響。有限元分析常常指出,需要進(jìn)行新的基礎(chǔ)理論研究,以填補(bǔ)現(xiàn)代知識(shí)中的空白。

三、設(shè)計(jì)和計(jì)算的目的:

鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土的設(shè)計(jì)和計(jì)算可分為總體和局部?jī)刹糠帧?/span>

在總體設(shè)計(jì)中,最重要的一步也許是初步設(shè)計(jì)。在這一階段,要設(shè)計(jì)出或選擇好結(jié)構(gòu)的外形輪廓或結(jié)構(gòu)的體系以滿足特殊的功能要求。初步設(shè)計(jì)主要靠設(shè)計(jì)者的建筑經(jīng)驗(yàn)、判斷力、直覺(jué)和創(chuàng)造性,加上一些近似的而不必很精確的計(jì)算。選擇大型海上采油平臺(tái)或大跨度混凝土薄殼屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)型式就是這種典型例子。結(jié)構(gòu)總的外形一經(jīng)選定,常常就要用有限元程序進(jìn)行精確的總體分析,以確定其內(nèi)力和內(nèi)力矩,再由這些內(nèi)力和內(nèi)力矩來(lái)確定和核算混凝土截面尺寸及配筋用量。

一般來(lái)說(shuō),大多數(shù)現(xiàn)行設(shè)計(jì)在總體分析時(shí),都是把鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)當(dāng)作不開(kāi)裂的、勻質(zhì)的、各向同性的、線彈性的。如把裂縫的影響以及與時(shí)間相關(guān)的一些因素也考慮在內(nèi),則撓度就取為彈性撓度的簡(jiǎn)單倍數(shù)。雖然,近年來(lái)已經(jīng)對(duì)某些三維結(jié)構(gòu)(例如預(yù)應(yīng)力混凝土核反應(yīng)堆容器)的非線性總體分析的電算程序作了大量工作并取得了很大進(jìn)展。但是這些程序在運(yùn)算時(shí)很費(fèi)時(shí)間,且費(fèi)用昂貴。因此研制專門用于橋梁、房屋框架、預(yù)制板式建筑和殼體屋蓋等結(jié)構(gòu)的總體分析程序方面還需要做很多工作。這一類程序可以采用較為簡(jiǎn)單的單元,但要抓住能反映結(jié)構(gòu)非線性性質(zhì)的主要成分。

從總體設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)到局部設(shè)計(jì)時(shí),絕大多數(shù)承受軸力、剪力、彎矩或扭矩的鋼筋混凝土梁柱板墻等構(gòu)件的設(shè)計(jì)都采用相當(dāng)簡(jiǎn)單的計(jì)算模型。舉例來(lái)說(shuō),對(duì)于承受純彎曲的梁,多年來(lái)一直假定,一旦發(fā)生裂縫,混凝土在整個(gè)受拉區(qū)就不再抵抗縱向拉應(yīng)力。雖然已認(rèn)識(shí)到這一假定并不符合實(shí)際情況,但仍一直采用它。因?yàn)樗炎プ×酥饕匦?對(duì)于設(shè)計(jì)的目的來(lái)說(shuō),它能夠?qū)炷梁弯摻畛惺艿牧ψ鞒稣_的判斷。

對(duì)于同時(shí)承受彎曲和剪切的梁,問(wèn)題就復(fù)雜得多了。這一問(wèn)題的合理計(jì)算方法,包括開(kāi)裂、粘結(jié)、銷栓作用和骨料咬合力等的影響及精確地計(jì)算凱里、非彈性性能和極限強(qiáng)度,至今仍然是尚待解決的重要問(wèn)題之一。

研制一種用于鋼筋混凝土局部設(shè)計(jì)問(wèn)題的精確的有限元計(jì)算方法,其復(fù)雜性可用圖1.1(a)和圖1.1(b)的跨中受載簡(jiǎn)支梁來(lái)說(shuō)明。兩根同樣大小受剪破壞的梁,在跨中作用一集中力,一根梁沒(méi)有箍筋,另一根則配置了箍筋。

鋼筋混凝土有限元分析報(bào)告(一)ansys培訓(xùn)課程圖片1

圖1.1 剪切破壞時(shí)由實(shí)驗(yàn)得到的梁的裂縫形式

(a)無(wú)箍筋梁 (b)箍筋梁

圖上所示的裂縫形式是由實(shí)驗(yàn)得出的。隨著荷載的增加,將依次發(fā)生下列結(jié)果:

(1)在小荷載時(shí),梁的性能基本上如同未裂的彈性構(gòu)件;

(2)接著在跨中發(fā)生垂直的彎曲裂縫,使得應(yīng)力重新分布,鋼筋應(yīng)力和粘結(jié)應(yīng)力增大,并發(fā)生某些粘結(jié)滑移;

(3)隨著荷載進(jìn)一步加大,這些彎曲裂縫伸展并且條數(shù)增多。如果不發(fā)生剪切與主拉力破壞的話,這根梁最終就會(huì)由于受拉縱筋屈服或受壓區(qū)混凝土壓碎而破壞;

(4)如果發(fā)生剪切和主拉力破壞[如圖1.1(a)及1.1(b)所示的],則發(fā)生一根很大的斜裂縫,情況就會(huì)變得十分復(fù)雜;

(5)這一斜裂縫使得橫向剪力由縱向主筋處的銷栓力、沿斜裂縫的骨料咬合力、垂直箍筋的應(yīng)力以及可能還有斜裂縫頂端上部未裂混凝土的抗力共同來(lái)承擔(dān);

(6)在斜裂縫底部,縱筋應(yīng)力也突然增大;

(7)荷載繼續(xù)增大,斜裂縫向加荷點(diǎn)延伸,使得銷栓力增大;

(8)在斜裂縫頂端未裂的混凝土受壓區(qū)被縮小到臨界范圍時(shí),就發(fā)生最終破壞。

此時(shí),在復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下,發(fā)生所謂的“剪壓破壞”。在某些無(wú)箍筋梁中,也會(huì)由于縱向主筋處銷栓力過(guò)大,發(fā)生沿縱筋撕裂的破壞。

由于這些復(fù)雜性,對(duì)承受彎矩加剪力的梁,其設(shè)計(jì)方法一直是以大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為依據(jù)的。不幸的是,這些經(jīng)驗(yàn)方法不能推廣到有軸力、剪力和彎矩共同作用的梁上去,或者推廣到更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)中去,例如那些用于海上建筑的鋼筋混凝土圓筒和穹頂?shù)慕唤缣?在該處有切向和環(huán)向內(nèi)力和內(nèi)力矩的組合,同時(shí)在裂縫內(nèi)有很高的靜水壓力。這一些都是必須采用非線性有限元方法才能解決局部設(shè)計(jì)問(wèn)題的典型例子。

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