關于鋼筋混凝土深受彎構件受力分析

孫秀成

（中國輕工業長沙工程有限公司， 湖南 長沙 410007）

1 工程信息

1） PKPM 模型信息，荷載：8 支墩儲液罐，儲液罐荷載40000kN。

2） 材料信息，混凝土：C40；鋼筋：HRB400。

2 Abaqus 有限元模型

1） 混凝土材料模型，為準確的模擬混凝土在受拉達到開裂應變后卸載和受壓混凝土達到壓碎狀態后卸載的非線性行為，混凝土材料模型采用塑性損傷模型。混凝土的極限強度采用混凝土結構設計規范提供的C40 混凝土的強度標準值，fck=26.8MPa，ftk=2.39MPa。混凝土本構模型和損傷因子按照混凝土結構設計規范附錄C 提供的的計算公式計算得到，具體計算結果如下表所示：

2） 鋼筋，鋼筋采用雙折線彈塑性本構模型，彈性極限強度標準值fk=400MPa，塑性極限抗拉強度f=540MPa，對應的塑性應變為0.072。

3） Abaqus 有限元模型，混凝土采用三維實體單元C3D8 模擬，鋼筋采用三維桁架單元T3D2 模擬。有限元模型如下圖所示：

3 計算結果分析

本文以單跨且受荷載較大的橫梁為主要分析對象，該梁截面為1000X3500，凈跨12.0m，跨高比小于5.0，屬于深受彎構件范圍。鋼筋以pkpm 計算結果為依據進行布置。

表1 混凝土受拉塑性損傷本構模型（Pa）

表2 混凝土受壓塑性損傷本構模型（Pa）

鋼筋單元a 網格

1） 鋼筋應力狀態分析，鋼筋應力水平如下圖所示，從圖中可以看到該梁鋼筋應力水平較高的區域出現跨中。跨中頂部鋼筋應力最大值達到了340Mpa，已經接近屈服狀態，跨中底部配筋最大應力276Mpa，鋼筋應力尚處于彈性階段。底部雖然配置了多排鋼筋，但是，各排鋼筋的應力最值比較接近，鋼筋的強度利用較為充分。梁端的箍筋應力水平相對較高，最大值達到了276Mpa。

2） 混凝土應力水平分析

鋼筋應力云圖

混凝土應力云圖

從上圖中可以看到，受壓區混凝土最大應力已達到約29MPa，混凝土已進入彈塑性階段，由于該區域混凝土處于雙向受壓狀態（雙軸受壓混凝土抗壓強度是單軸抗壓強度的1.16 倍），混凝土產生較小的塑性應變，混凝土尚未達到極限抗壓強度，受壓區混凝土未出現卸載現象。如下圖所示：

受壓區單元應力-應變曲線

受拉區混凝土應力均已達到抗拉強度2.39Mpa，表現為混凝土單元卸載，荷載轉移到底部受拉鋼筋。如下圖所示：

受拉區單元應力-應變曲線

受剪區混凝土從云圖中可以看出應力水平不高，通過輸出單元的剪切應力應變曲線可知，該區域由于塑性應變較大，混凝土已超過極限強度，進入剛度退化卸載階段，剩余的剪力由箍筋承擔。受剪區單元的剪切應力應變如下圖：

受剪區單元應力-應變曲線

3） 混凝土損傷分析，混凝土主應力云圖如下圖所示，從圖中可知該梁應力較大的區域分布在梁頂和剪應力較大區域，荷載主要通過一拱形區域傳遞到兩側框柱，與梁底受拉鋼筋協同形成典型的拉桿拱的傳力模式。

主應力云圖

受壓損傷因子云圖中可以看到跨中受壓區僅局部區域混凝土的損傷因子達到0.3，對應較小的塑性應變，受壓區混凝土未達到抗壓極限強度。混凝土的受剪區域損傷因子已達到0.6，混凝土在剪壓共同作用下剛度退化，荷載已轉移到受剪鋼筋。

受壓損傷因子云圖

受拉損傷因子如下圖所示，靠近跨中區域混凝土損傷因子已達到0.9，混凝土抗拉剛度幾乎完全退化，荷載幾乎全部由底部鋼筋承擔。

受壓損傷因子云圖

4 結語

1） 儲罐支撐梁配筋按照pkpm 的設計結果進行配筋可以滿足構件承載力的需求。受拉區鋼筋尚未達到屈服強度，混凝土受壓區應力水平較高，發生較小的塑性應變，但未進入卸載階段。設計具備一定的安全儲備；2） 支撐梁傳力模式為拉桿拱模式，荷載主要通過壓剪區混凝土傳遞到兩側框架柱。該區域混凝土損傷程度較高，受剪鋼筋應力較大，在結構設計中對該區域配筋應予以加強。