鋼筋混凝土有限元分析報告（一）

2017-01-23 by:CAE仿真在線來源:互聯網

一、前言:

成立一個專業工作組,專門來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月間寫給有關的知名人士的信中首先提出的。1977年8月他向美國土木工程師學會結構分會的執行委員會提議,成立一個鋼筋混凝土結構有限元分析工作委員會。執行委員會對此表示贊同,同意在混凝土與圬工結構委員會下面設立這樣一個組。初始成員有20人,由A.H.Nilson擔任主席。

工作委員會的規定任務是評論、聯系、推廣和促進鋼筋混凝土和圬工結構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、理論以及實驗數據,以便為它們在設計中的應用作恰當的介紹。

實現這個目的的主要手段是編寫這本綜合性的技術現狀報告。報告總結了用于鋼筋混凝土有限元分析的各個特點,其中有:本構關系、破壞理論、多軸向應力理論、鋼筋的模擬、鋼筋與混凝土之間的結合面性能、裂縫的表示方法、剪力轉移的機理、周期荷載和動力荷載的效應,以及徐變、收縮和溫度變化等與時間相關的效應。還回顧了具有這些特點在內的另外一些方法,給出了最近的應用實例,對分析結果和實測性能(凡能得到的)都作了對比。現有的一般計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”。因為與鋼筋混凝土有限元分析有關的復雜問題是很多很多的,如果沒有很廣泛的基礎知識,可能會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題也還沒有得到大家一致的同意。但是不管這類尚未解決的問題怎么樣,鋼筋混凝土有限元分析是一個有實踐意義的現實。它對鋼筋混凝土構件的性能有了新的理解,而且已經作為重要結構(如大跨度組合式橋梁和海上采油平臺存儲結構等)的設計上的依據。預計這種應用必將繼續增加,而且它在一般問題中的應用也將會變得更加頻繁。

二、背景:

鋼筋混凝土構件和結構體系的性能,特別是它們對于荷載或者其它作用力的反應特性,是本世紀以來一直在深入研究的課題。由于研制一個合理的分析方法甚為復雜,現行的設計方法在很多方面仍然沿用大量試驗數據成果從經驗上逼近實際的辦法。最典型的例子就是普通梁中的剪力和斜拉力設計。盡管已有成百的試驗研究,但仍然未能得出合理的抗剪設計方法。各種規范所規定的方法還是采用與試驗數據曲線擬合的剪切抗力表達式。在最近的抗扭設計中也可以找到同樣的例子。

在過去,這種辦法是必要的。對常規設計來說,它至今仍然是一種最為簡便有用的方法。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。鋼筋混凝土開裂、受拉區的勁化、材料的非線性與多軸向特性、鋼筋與混凝土結合面的復雜性質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,現在都可以合理地加以模擬了。通過這些有限單元法的研究,其中一些主要參數可以方便地和有條不紊地加以變化。所得出的新見解可為常規設計所采用的規范規程提供更為可靠的依據。此外,有限單元法還可以直接用來分析和設計復雜的結構,例如組合式箱型梁式橋、海上采油平臺、核反應堆容器等等。這些結構是不能用太近似的方法作一般處理。

試驗研究仍然是需要的。無論是為了給經驗公式(在尋常設計的許多方面至今仍在采用)提供更可靠的依據,還是為了更精密的有限元分析提供必要的資料來說,都是如此。其次,也還需要用試驗求得材料的性質及結合面特性的資料,這兩者都是有限元分析中有代表性的基本輸入數據。同樣,也有必要得出試驗成果以便與有限元計算的結果作對比。然而,試驗的數量卻可以大大減少,可以只作一些最基本的試驗,其成果將更為通用。對于那些參數在全范圍內需要變化的大尺寸試驗,試驗次數就可大大減少。

最后,還得注意,在研制和應用有限元分析方法時,關鍵是要把注意力集中在通常沒有考慮到的那些特性上。例如,在普通梁和深梁中,斜裂縫形成和擴展時,混凝土應力的雙向性是很重要的。又如,在裂縫形成以后,裂縫附近的混凝土會受到卸載的影響和重新加載的影響。有限元分析常常指出,需要進行新的基礎理論研究,以填補現代知識中的空白。

三、設計和計算的目的:

鋼筋混凝土和預應力混凝土的設計和計算可分為總體和局部兩部分。

在總體設計中,最重要的一步也許是初步設計。在這一階段,要設計出或選擇好結構的外形輪廓或結構的體系以滿足特殊的功能要求。初步設計主要靠設計者的建筑經驗、判斷力、直覺和創造性,加上一些近似的而不必很精確的計算。選擇大型海上采油平臺或大跨度混凝土薄殼屋頂的結構型式就是這種典型例子。結構總的外形一經選定,常常就要用有限元程序進行精確的總體分析,以確定其內力和內力矩,再由這些內力和內力矩來確定和核算混凝土截面尺寸及配筋用量。

一般來說,大多數現行設計在總體分析時,都是把鋼筋混凝土結構當作不開裂的、勻質的、各向同性的、線彈性的。如把裂縫的影響以及與時間相關的一些因素也考慮在內,則撓度就取為彈性撓度的簡單倍數。雖然,近年來已經對某些三維結構(例如預應力混凝土核反應堆容器)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展。但是這些程序在運算時很費時間,且費用昂貴。因此研制專門用于橋梁、房屋框架、預制板式建筑和殼體屋蓋等結構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單的單元,但要抓住能反映結構非線性性質的主要成分。

從總體設計轉到局部設計時,絕大多數承受軸力、剪力、彎矩或扭矩的鋼筋混凝土梁柱板墻等構件的設計都采用相當簡單的計算模型。舉例來說,對于承受純彎曲的梁,多年來一直假定,一旦發生裂縫,混凝土在整個受拉區就不再抵抗縱向拉應力。雖然已認識到這一假定并不符合實際情況,但仍一直采用它。因為它已抓住了主要特性,對于設計的目的來說,它能夠對混凝土和鋼筋承受的力作出正確的判斷。

對于同時承受彎曲和剪切的梁,問題就復雜得多了。這一問題的合理計算方法,包括開裂、粘結、銷栓作用和骨料咬合力等的影響及精確地計算凱里、非彈性性能和極限強度,至今仍然是尚待解決的重要問題之一。

研制一種用于鋼筋混凝土局部設計問題的精確的有限元計算方法,其復雜性可用圖1.1(a)和圖1.1(b)的跨中受載簡支梁來說明。兩根同樣大小受剪破壞的梁,在跨中作用一集中力,一根梁沒有箍筋,另一根則配置了箍筋。

鋼筋混凝土有限元分析報告(一)ansys培訓課程圖片1

圖1.1 剪切破壞時由實驗得到的梁的裂縫形式

(a)無箍筋梁 (b)箍筋梁

圖上所示的裂縫形式是由實驗得出的。隨著荷載的增加,將依次發生下列結果:

(1)在小荷載時,梁的性能基本上如同未裂的彈性構件;

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

(3)隨著荷載進一步加大,這些彎曲裂縫伸展并且條數增多。如果不發生剪切與主拉力破壞的話,這根梁最終就會由于受拉縱筋屈服或受壓區混凝土壓碎而破壞;

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

(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承擔;

(6)在斜裂縫底部,縱筋應力也突然增大;

(7)荷載繼續增大,斜裂縫向加荷點延伸,使得銷栓力增大;

(8)在斜裂縫頂端未裂的混凝土受壓區被縮小到臨界范圍時,就發生最終破壞。

此時,在復合應力狀態下,發生所謂的“剪壓破壞”。在某些無箍筋梁中,也會由于縱向主筋處銷栓力過大,發生沿縱筋撕裂的破壞。

由于這些復雜性,對承受彎矩加剪力的梁,其設計方法一直是以大量實驗數據作為依據的。不幸的是,這些經驗方法不能推廣到有軸力、剪力和彎矩共同作用的梁上去,或者推廣到更為復雜的結構中去,例如那些用于海上建筑的鋼筋混凝土圓筒和穹頂的交界處,在該處有切向和環向內力和內力矩的組合,同時在裂縫內有很高的靜水壓力。這一些都是必須采用非線性有限元方法才能解決局部設計問題的典型例子。

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