钢筋混凝土有限元分析报告（一）

2017-01-23 by:CAE仿真在线来源:互联网

一、前言:

成立一个专业工作组,专门来研究钢筋混凝土采用有限元分析的想法是A.C.Scordelis在1977年5月间写给有关的知名人士的信中首先提出的。1977年8月他向美国土木工程师学会结构分会的执行委员会提议,成立一个钢筋混凝土结构有限元分析工作委员会。执行委员会对此表示赞同,同意在混凝土与圬工结构委员会下面设立这样一个组。初始成员有20人,由A.H.Nilson担任主席。

工作委员会的规定任务是评论、联系、推广和促进钢筋混凝土和圬工结构有限元分析的信息和探索研究,并研究所建议的各种分析模型、理论以及实验数据,以便为它们在设计中的应用作恰当的介绍。

实现这个目的的主要手段是编写这本综合性的技术现状报告。报告总结了用于钢筋混凝土有限元分析的各个特点,其中有:本构关系、破坏理论、多轴向应力理论、钢筋的模拟、钢筋与混凝土之间的结合面性能、裂缝的表示方法、剪力转移的机理、周期荷载和动力荷载的效应,以及徐变、收缩和温度变化等与时间相关的效应。还回顾了具有这些特点在内的另外一些方法,给出了最近的应用实例,对分析结果和实测性能(凡能得到的)都作了对比。现有的一般计算程序也都列在附录中,以供参考。

本书不想作为“使用者的手册”。因为与钢筋混凝土有限元分析有关的复杂问题是很多很多的,如果没有很广泛的基础知识,可能会妨碍这一方法的正常使用。像材料性能的最佳表示法或者模拟徐变的最佳方法等一类问题也还没有得到大家一致的同意。但是不管这类尚未解决的问题怎么样,钢筋混凝土有限元分析是一个有实践意义的现实。它对钢筋混凝土构件的性能有了新的理解,而且已经作为重要结构(如大跨度组合式桥梁和海上采油平台存储结构等)的设计上的依据。预计这种应用必将继续增加,而且它在一般问题中的应用也将会变得更加频繁。

二、背景:

钢筋混凝土构件和结构体系的性能,特别是它们对于荷载或者其它作用力的反应特性,是本世纪以来一直在深入研究的课题。由于研制一个合理的分析方法甚为复杂,现行的设计方法在很多方面仍然沿用大量试验数据成果从经验上逼近实际的办法。最典型的例子就是普通梁中的剪力和斜拉力设计。尽管已有成百的试验研究,但仍然未能得出合理的抗剪设计方法。各种规范所规定的方法还是采用与试验数据曲线拟合的剪切抗力表达式。在最近的抗扭设计中也可以找到同样的例子。

在过去,这种办法是必要的。对常规设计来说,它至今仍然是一种最为简便有用的方法。然而,至今有限单元法已为研究钢筋混凝土性能提供了一种有力的、通用的分析工具。钢筋混凝土开裂、受拉区的劲化、材料的非线性与多轴向特性、钢筋与混凝土结合面的复杂性质以及其它早先被忽略掉的或者用非常近似的办法处理的那些因素,现在都可以合理地加以模拟了。通过这些有限单元法的研究,其中一些主要参数可以方便地和有条不紊地加以变化。所得出的新见解可为常规设计所采用的规范规程提供更为可靠的依据。此外,有限单元法还可以直接用来分析和设计复杂的结构,例如组合式箱型梁式桥、海上采油平台、核反应堆容器等等。这些结构是不能用太近似的方法作一般处理。

试验研究仍然是需要的。无论是为了给经验公式(在寻常设计的许多方面至今仍在采用)提供更可靠的依据,还是为了更精密的有限元分析提供必要的资料来说,都是如此。其次,也还需要用试验求得材料的性质及结合面特性的资料,这两者都是有限元分析中有代表性的基本输入数据。同样,也有必要得出试验成果以便与有限元计算的结果作对比。然而,试验的数量却可以大大减少,可以只作一些最基本的试验,其成果将更为通用。对于那些参数在全范围内需要变化的大尺寸试验,试验次数就可大大减少。

最后,还得注意,在研制和应用有限元分析方法时,关键是要把注意力集中在通常没有考虑到的那些特性上。例如,在普通梁和深梁中,斜裂缝形成和扩展时,混凝土应力的双向性是很重要的。又如,在裂缝形成以后,裂缝附近的混凝土会受到卸载的影响和重新加载的影响。有限元分析常常指出,需要进行新的基础理论研究,以填补现代知识中的空白。

三、设计和计算的目的:

钢筋混凝土和预应力混凝土的设计和计算可分为总体和局部两部分。

在总体设计中,最重要的一步也许是初步设计。在这一阶段,要设计出或选择好结构的外形轮廓或结构的体系以满足特殊的功能要求。初步设计主要靠设计者的建筑经验、判断力、直觉和创造性,加上一些近似的而不必很精确的计算。选择大型海上采油平台或大跨度混凝土薄壳屋顶的结构型式就是这种典型例子。结构总的外形一经选定,常常就要用有限元程序进行精确的总体分析,以确定其内力和内力矩,再由这些内力和内力矩来确定和核算混凝土截面尺寸及配筋用量。

一般来说,大多数现行设计在总体分析时,都是把钢筋混凝土结构当作不开裂的、匀质的、各向同性的、线弹性的。如把裂缝的影响以及与时间相关的一些因素也考虑在内,则挠度就取为弹性挠度的简单倍数。虽然,近年来已经对某些三维结构(例如预应力混凝土核反应堆容器)的非线性总体分析的电算程序作了大量工作并取得了很大进展。但是这些程序在运算时很费时间,且费用昂贵。因此研制专门用于桥梁、房屋框架、预制板式建筑和壳体屋盖等结构的总体分析程序方面还需要做很多工作。这一类程序可以采用较为简单的单元,但要抓住能反映结构非线性性质的主要成分。

从总体设计转到局部设计时,绝大多数承受轴力、剪力、弯矩或扭矩的钢筋混凝土梁柱板墙等构件的设计都采用相当简单的计算模型。举例来说,对于承受纯弯曲的梁,多年来一直假定,一旦发生裂缝,混凝土在整个受拉区就不再抵抗纵向拉应力。虽然已认识到这一假定并不符合实际情况,但仍一直采用它。因为它已抓住了主要特性,对于设计的目的来说,它能够对混凝土和钢筋承受的力作出正确的判断。

对于同时承受弯曲和剪切的梁,问题就复杂得多了。这一问题的合理计算方法,包括开裂、粘结、销栓作用和骨料咬合力等的影响及精确地计算凯里、非弹性性能和极限强度,至今仍然是尚待解决的重要问题之一。

研制一种用于钢筋混凝土局部设计问题的精确的有限元计算方法,其复杂性可用图1.1(a)和图1.1(b)的跨中受载简支梁来说明。两根同样大小受剪破坏的梁,在跨中作用一集中力,一根梁没有箍筋,另一根则配置了箍筋。

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图1.1 剪切破坏时由实验得到的梁的裂缝形式

(a)无箍筋梁 (b)箍筋梁

图上所示的裂缝形式是由实验得出的。随着荷载的增加,将依次发生下列结果:

(1)在小荷载时,梁的性能基本上如同未裂的弹性构件;

(2)接着在跨中发生垂直的弯曲裂缝,使得应力重新分布,钢筋应力和粘结应力增大,并发生某些粘结滑移;

(3)随着荷载进一步加大,这些弯曲裂缝伸展并且条数增多。如果不发生剪切与主拉力破坏的话,这根梁最终就会由于受拉纵筋屈服或受压区混凝土压碎而破坏;

(4)如果发生剪切和主拉力破坏[如图1.1(a)及1.1(b)所示的],则发生一根很大的斜裂缝,情况就会变得十分复杂;

(5)这一斜裂缝使得横向剪力由纵向主筋处的销栓力、沿斜裂缝的骨料咬合力、垂直箍筋的应力以及可能还有斜裂缝顶端上部未裂混凝土的抗力共同来承担;

(6)在斜裂缝底部,纵筋应力也突然增大;

(7)荷载继续增大,斜裂缝向加荷点延伸,使得销栓力增大;

(8)在斜裂缝顶端未裂的混凝土受压区被缩小到临界范围时,就发生最终破坏。

此时,在复合应力状态下,发生所谓的“剪压破坏”。在某些无箍筋梁中,也会由于纵向主筋处销栓力过大,发生沿纵筋撕裂的破坏。

由于这些复杂性,对承受弯矩加剪力的梁,其设计方法一直是以大量实验数据作为依据的。不幸的是,这些经验方法不能推广到有轴力、剪力和弯矩共同作用的梁上去,或者推广到更为复杂的结构中去,例如那些用于海上建筑的钢筋混凝土圆筒和穹顶的交界处,在该处有切向和环向内力和内力矩的组合,同时在裂缝内有很高的静水压力。这一些都是必须采用非线性有限元方法才能解决局部设计问题的典型例子。

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