基于建筑信息化的宏觀裂縫對鋼筋混凝土梁受力性能影響的有限元分析

楊奔

（北海職業(yè)學院）

0 前言

混凝土和鋼筋是目前使用最多的兩種建筑材料。梁結(jié)構(gòu)是房屋建筑的重要組成部分。在實際工程中，有的建筑中的鋼筋混凝土梁結(jié)構(gòu)隨著使用時間的增加在梁跨中部位出現(xiàn)了比較明顯的宏觀裂縫，這些宏觀裂縫是因梁結(jié)構(gòu)受載后梁跨中部位混凝土在拉力或壓力、剪力、彎矩等作用下形成微觀裂縫并逐漸發(fā)展而成的。宏觀裂縫對梁結(jié)構(gòu)承載能力的影響較大。清華大學的陸新征、斯特拉斯克萊德大學的Olena Karpenko 等學者先后對鋼筋混凝土梁結(jié)構(gòu)的宏觀裂縫進行了研究。對鋼筋混凝土梁結(jié)構(gòu)宏觀裂縫的研究主要分為兩種途徑。一種是試驗研究，另一種是基于建筑信息化的有限元分析研究。陸新征、楊奔等學者曾通過試驗，研究了梁跨中部位宏觀裂縫對鋼筋混凝土梁結(jié)構(gòu)受力性能的影響。但是，通過試驗研究宏觀裂縫對鋼筋混凝土梁結(jié)構(gòu)受力性能的影響，往往只能測試出梁跨中、加載點等部位某些點的試驗值，不能全面獲得鋼筋混凝土梁結(jié)構(gòu)所有位置的受力性能數(shù)值，而基于建筑信息化的有限元分析研究，能夠有效彌補這一缺陷。清華大學的陸新征學者，曾通過有限元方法，將三維梁結(jié)構(gòu)簡化為二維面單元，定性分析了梁跨中部位宏觀裂縫對鋼筋混凝土梁結(jié)構(gòu)受力性能的影響。采用二維面單元對三維梁結(jié)構(gòu)進行有限元分析，在計算機性能不夠強時可節(jié)約一定計算資源，但因未充分考慮梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部材料的橫向連接而使得有限元分析結(jié)果與試驗結(jié)果有一定差異。如今，計算機性能的提升了，使得通過有限元方法精細化分析宏觀裂縫對鋼筋混凝土梁受力性能影響成為可能。本文采用常規(guī)鋼筋混凝土梁的尺寸，建立有限元模型，通過有限元方法研究宏觀裂縫對鋼筋混凝土梁受力性能的影響。鋼筋混凝土梁的主要尺寸如圖1 所示。

圖1 鋼筋混凝土梁主要尺寸

1 具有宏觀裂縫的鋼筋混凝土梁有限元模型的建立

1.1 鋼筋混凝土梁有限元模型的建立

采用有限元分析軟件，建立一個如圖1 所示尺寸的鋼筋混凝土梁有限元模型，其中，鋼筋混凝土梁的總長度為2500mm，總寬度為150mm，總高度為300mm；混凝土的材料特性為：彈性模量E混為3.25×1010N/m2，泊松比為0.2，抗壓強度fc為2.4×107N/m2，抗拉強度ft為2.4×106N/m2，混凝土材料采用混凝土塑性損傷模型進行有限元分析；鋼筋的材料特性為：彈性模量E鋼為1.9×1011N/m2，泊松比為0.3，屈服強度f屈為2.1×108N/m2，鋼筋材料采用桁架單元進行有限元分析。

1.2 宏觀裂縫的設(shè)置

為了研究宏觀裂縫的根數(shù)、寬度、深度（高度）、位置對鋼筋混凝土梁受力性能的影響，建立了如表1 所示的具有宏觀裂縫的鋼筋混凝土梁有限元模型，其中，宏觀裂縫均關(guān)于梁跨中對稱布置。

表1 模型的宏觀裂縫設(shè)置

1.3 荷載的施加及網(wǎng)格的劃分

鋼筋混凝土梁有限元模型采用位移控制施加荷載。進行鋼筋混凝土梁有限元模型網(wǎng)格劃分時，網(wǎng)格單元采用六面體單元，網(wǎng)格近似全局尺寸為10mm。

2 宏觀裂縫對鋼筋混凝土梁受力性能影響的有限元分析

具有宏觀裂縫的鋼筋混凝土梁有限元模型受載后的損傷云圖如圖2 所示。為了較好地呈現(xiàn)受載后鋼筋混凝土梁的內(nèi)部、外部受力性能，受載后的鋼筋混凝土梁有限元模型損傷云圖采用局部剖視法進行呈現(xiàn)。

對具有宏觀裂縫的鋼筋混凝土梁有限元模型進行分析，并與無宏觀裂縫的鋼筋混凝土梁有限元模型進行對比，可以得出以下分析結(jié)果：

⑴對圖2 的（a）與（b）進行分析可知：對于無宏觀裂縫的鋼筋混凝土梁，受拉應(yīng)力損傷首先在鋼筋混凝土梁的跨中部位出現(xiàn)；對于具有宏觀裂縫的鋼筋混凝土梁，受拉應(yīng)力損傷首先在裂縫部位附近出現(xiàn)。

圖2 具有宏觀裂縫的鋼筋混凝土梁有限元模型受載后的損傷云圖（局部剖視）

⑵對圖2 的（b）與（c）進行分析可知：相鄰宏觀裂縫間距即宏觀裂縫位置的改變，會影響鋼筋混凝土梁內(nèi)應(yīng)力的分布。

⑶對圖2 的（b）與（d）進行分析可知：宏觀裂縫根數(shù)對開始受載時鋼筋混凝土梁的受力性能影響較大，但對加載后期鋼筋混凝土梁的損傷分布影響并不是很大。

⑷對圖2 的（b）與（e）進行分析可知：隨著宏觀裂縫深度（高度）的增加，宏觀裂縫附近的鋼筋混凝土梁損傷程度增強。

⑸對圖2 的（c）與（f）進行分析可知：宏觀裂縫寬度對鋼筋混凝土梁的損傷分布影響并不是很大。

3 結(jié)語

本文主要從具有宏觀裂縫的鋼筋混凝土梁有限元模型的建立、宏觀裂縫對鋼筋混凝土梁受力性能影響的有限元分析等方面，對宏觀裂縫對鋼筋混凝土梁受力性能的影響進行了研究，為相關(guān)的工程技術(shù)人員人員提供一定的參考。