鋼筋混凝土框架開孔梁受力性能的研究

徐繼承

摘要：隨著中國城市化進程的加快，舊城改造與城中村改造日漸成為了人們關注的熱點問題。70-80年代的低層危舊建筑在陸續退出歷史舞臺后，結合城市總體規劃逐步由“高樓大廈”所代替，然而，新的建筑結構安全隱患正在悄然無聲蔓延著，并且有發展趨勢——即住房（含保障性住房、商品房）建筑裝飾裝修階段隨意在框架梁上后開孔和開槽現象。通過采用有限元方法進行框架梁后開孔受力分析，對其開孔前后應力變化進行對比，以促進建筑裝飾裝修階段對既有鋼筋混凝土框架梁保護意識，確保住房主體結構安全。

關鍵詞：鋼筋混凝土;開孔梁;應力分析

引言

隨著人們物質生活水平的不斷提高，對住宅裝飾裝修美觀性、舒適性提出了更高的要求。同時，享受型和發展型商品誕生（即卡式多聯機空調一拖多和空氣能熱水器取代單一的立式（掛式）空調和電熱水器），也伴隨越來越多既有建筑在裝飾裝修階段為提高吊頂高度，對鋼筋混凝土框架梁進行開孔，從而使各種管線從梁中孔洞穿過，換取擠占梁下空間的現象。使得框架梁有效截面減小，結構強度和剛度降低，削弱框架梁的受剪和抗震能力，在裝飾裝修完成后框架承重梁開孔處被吊頂的所隱蔽，即使開孔處出現任何變形或破壞也難以發現，將給建筑物埋下極大安全隱患。因此，為保證建筑物結構安全可靠，系統的研究混凝土框架梁后開孔的受力特征和抗震性能，顯得極為迫切和重要，具有重要的現實意義。針對鋼筋混凝土框架開孔梁的受力性能，國內和國外學者開展了大量的理論分析與試驗研究[1-6]，并且總結了許多有實際意義的結論，但這些研究都僅集中在簡支梁為主的開孔梁構件的受力機理的研究上，然而，對于如何有效地控制既有建筑混凝土框架梁后開孔受力性能的研究相對較少。

本文利用ABAQUS有限元計算軟件模擬對既有建筑鋼筋混凝土框架梁上后開孔不同位置、大小和孔數的實際案例進行有限元仿真分析，得出不同大小和孔數的混凝土框架梁后開孔剛度影響程度。以減少采用試驗方式高額的試驗費用、壓縮課題研究時間和彌補試驗結果離散等系列缺點，還能更加系統的觀測到變量間的相關性。將梁開孔前、后的力學指標進行分析，重點研究鋼筋混凝土框架梁端后開不同數量和大小孔洞后在荷載作用下的受力特征和抗震能力，從而檢驗既有建筑主體結構安全性，以供相關設計人員和廣大業主在今后涉及建筑結構主體安全使用提供參考。

1 有限元分析原理

有限元分析，是利用數學近似的方法對真實物理系統（幾何和載荷工況）進行模擬。同時，利用簡單而又相互作用的元素（即單元），就可以用有限數量的未知量去逼近無限未知量的真實系統。

有限元分析方法是用相對簡單的問題代替復雜問題后再對其分析求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，我們可以假定對每一單元都有一個合適的特定解，且是一個相對簡單的近似解，然后通過再推導求得其解，最終得出這個域總的滿足條件（如結構的平衡條件），從而使得復雜問題變成簡單問題。因為實際復雜難解的問題被相對簡單的問題所代替得到求解，所以這個可以求得的解是一個近似的解。

2 有限元分析模型的建立

本模型來源于溫州市某安置房建設工程，在竣工驗收后，安置戶陸續拿到房屋鑰匙，開始對室內裝飾裝修。由于目前裝飾裝修通常做法是將水、電、空調管線敷設在吊頂內，但梁下實際凈高僅2.5米，鑒于樓層高度限制，相應的管線若在梁下敷設，將導致吊頂高度整體下降，在視覺上產生壓抑感。因此，為滿足提升吊頂高度需要對既有混凝土框架梁進行開孔，使管線從中穿過。結合施工圖設計文件得知，框架梁上受力區域內樓面恒荷載取值26.8KN/m2，活荷載取值8.6KN/m2（標準值）。

2.1 材料本構及關系模型

2.1.1 鋼筋的本構關系模型鋼筋混凝土梁主要由鋼筋和混凝土兩種材料組成。混凝土的抗壓能力較強而抗拉能力很弱，鋼筋的抗拉能力很強的特點，用鋼筋彌補混凝土材料延性和抗拉能力的缺陷。鋼筋混凝土在非線性有限元分析中，鋼筋的本構關系（即應力應變本構關系模型）采用了描述完全彈塑性的雙直線模型。《混凝土結構設計規范》GB50010-2010（2015年版）[7]，附錄C.1.2鋼筋單調加載的應力_應變關系曲線如圖C.1.2所示，其關系式如式（C.1.2-1）和（C.1.2-2）所示。

2.1.2 混凝土的本構關系模型

在進行鋼筋混凝土結構非線性分析過程中，合理選擇混凝土本構關系顯得尤為重要。由于不同的本構關系會導致材料在分析時產生完全不同的力學性能，其模型對分析起到非常重要的作用。由于混凝土自身的復雜多變性，到目前為止，許多學者經過大量的研究，得出多種本構關系模型，每種各有自身的特點，對于常用的本構關系模型可分為四種類型：線彈性模型、非性線彈性模型、塑性理論模型、其他力學理論模型。由于混凝土材料容易受內在和外部因素影響，具有極大的不確定性。因此，每一種本構關系模型都僅表現各自混凝土材料的附加內力和變形的程度情況，無法將混凝土材料的特點全面準確的體現出來。《混凝土結構設計規范》GB50010-2010（2015年版）[7]，附錄C.2.3鋼筋單調加載的應力_應變關系曲線如圖C.2.3所示，其關系式如式（C.2.3-1）、（C.2.3-2）、（C.2.3-3）和（C.2.3-4）所示。

混凝土單軸受拉的應力-應變曲線（圖C.2.3），可按下列左圖公式確定：

混凝土單軸受壓的應力-應變曲線，可按右圖公式確定：

2.1.3 ABAQUS中混凝土本構模型

在ABAQUS有限元分析軟件中有三種混凝土本構模型可供選擇，分別為：彌散開裂模型、脆性破裂模型和塑性損傷模型。本文在混凝土本構模型時，選用了塑性損傷模型，計算模型可模擬混凝土中相關材料和加載過程的力學特性。即混凝土的兩個失效機制：一個是拉伸開裂，另一個是壓縮破壞。當圍壓升至可以抵抗裂縫延展時，混凝土材料所表現的性能就類似于硬化后的延性材料。