鋼筋混凝土與素混凝土有限元模擬對(duì)比分析

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1、鋼筋混凝土與素混凝土有限元模擬對(duì)比分析 Comparison and analysis of finite element simulation of reinforced concrete and plain concrete 李君 Li Jun （廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004） (College of Civil and Architectural Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China) 摘要：鋼砼內(nèi)鋼筋與砼彈性模量相差很大，但鋼筋用量少，截面積所占比例少，忽略鋼筋進(jìn)行計(jì)算，可以減

2、少很多繁瑣的計(jì)算。本文利用abaqus進(jìn)行模擬，計(jì)算鋼筋砼與素砼在相同受荷條件下的應(yīng)力和撓度，同時(shí)假定鋼筋和砼均在彈性范圍內(nèi)。 Abstract: the steel in reinforced concrete and concrete elastic modulus vary widely, but the steel consumption, less proportion of sectional area, ignore reinforced calculation, can reduce a lot of tedious calculation. In this paper, u

3、sing abaqus simulation, calculation of reinforced concrete and plain concrete in the same load conditions of the deflection and stress, at the same time assume that steel and concrete are within the elastic range. 通過(guò)摸擬計(jì)算如圖的鋼砼簡(jiǎn)支梁與不計(jì)鋼筋的該梁，求出跨中應(yīng)力和撓度及比值。為了避免出現(xiàn)梁局部受壓破壞，在支座和集中力作用處設(shè)置0.2m*0.1m*0.05m的鋼板，

4、取材料特性如下： 1、 混凝土：彈性模量,密度, 2、 鋼筋：彈性模量,密度, 3、 墊塊：彈性模量,密度, 一、建立模型 1、創(chuàng)建部件，選擇進(jìn)入部件模塊 創(chuàng)建混凝土梁：點(diǎn)擊創(chuàng)建部件圖標(biāo)，進(jìn)入創(chuàng)建部件對(duì)話(huà)框，部件名稱(chēng)liang，選擇三維實(shí)體拉伸類(lèi)型，大致尺寸取0.6，點(diǎn)擊繼續(xù)，進(jìn)入二維繪圖界面，繪制梁截面0.2m*0.3m，完成后輸入梁長(zhǎng)度2m，所創(chuàng)建的梁部件如下圖。 創(chuàng)建墊塊：點(diǎn)擊創(chuàng)建部件圖標(biāo)，進(jìn)入創(chuàng)建部件對(duì)話(huà)框，部件名稱(chēng)dian，選擇三維實(shí)體拉伸類(lèi)型，大致尺寸取0.2，點(diǎn)擊繼續(xù)，進(jìn)入二維繪圖界面，繪制墊塊截面0.05m*0.1m，完成后輸入墊塊長(zhǎng)度0.2m。 創(chuàng)建受力筋

5、：點(diǎn)擊創(chuàng)建部件圖標(biāo)，進(jìn)入創(chuàng)建部件對(duì)話(huà)框，部件名稱(chēng)shou，選擇三維線(xiàn)性拉伸類(lèi)型，大致尺寸取2，點(diǎn)擊繼續(xù)，進(jìn)入二維繪圖界面，選擇繪制線(xiàn)性工具，輸入坐標(biāo)(-0.975，0)、(0.975，0)，所創(chuàng)建的受力筋部件如下圖。 創(chuàng)建架力筋：點(diǎn)擊創(chuàng)建部件圖標(biāo)，進(jìn)入創(chuàng)建部件對(duì)話(huà)框，部件名稱(chēng)jia，選擇三維線(xiàn)性拉伸類(lèi)型，大致尺寸取2，點(diǎn)擊繼續(xù)，進(jìn)入二維繪圖界面，選擇繪制線(xiàn)性工具，輸入坐標(biāo)(-0.975，0)、(0.975，0)，。 創(chuàng)建箍筋：點(diǎn)擊創(chuàng)建部件圖標(biāo)，進(jìn)入創(chuàng)建部件對(duì)話(huà)框，部件名稱(chēng)gu，選擇三維線(xiàn)性拉伸類(lèi)型，大致尺寸取0.5，點(diǎn)擊繼續(xù)，進(jìn)入二維繪圖界面，選擇繪制矩形工具，輸入坐標(biāo)(0，0

6、)、(0.14，0.24)，所創(chuàng)建的箍筋部件如下圖。 2、定義材料和截面屬性 在菜單欄模塊列表中選擇特性模塊，在此模塊中定義砼、墊塊和鋼筋的本構(gòu)關(guān)系和截面屬性，并將截面屬性賦予到相應(yīng)的部件上。 1) 定義材料 定義砼本構(gòu)關(guān)系：在對(duì)話(huà)框中輸入材料名稱(chēng)hun，常規(guī)特性選項(xiàng)下輸入密度2400，力學(xué)特性選項(xiàng)下設(shè)定彈性模量3e10，泊松比0.2。 定義鋼筋本構(gòu)關(guān)系：在對(duì)話(huà)框中輸入材料名稱(chēng)gang，常規(guī)特性選項(xiàng)下輸入密度7800，力學(xué)特性選項(xiàng)下設(shè)定彈性模量2.0e11，泊松比0.3。 2)定義截面屬性 定義砼梁截面屬性：在對(duì)話(huà)框中輸入截面名稱(chēng)liang

7、，種類(lèi)設(shè)為實(shí)體均質(zhì)，材料選擇hun，其它參數(shù)保特不變，點(diǎn)擊完成。 定義墊塊截面屬性：在對(duì)話(huà)框中輸入截面名稱(chēng)dian，種類(lèi)設(shè)為實(shí)體均質(zhì)，材料選擇dian，其它參數(shù)保特不變，點(diǎn)擊完成。 定義受力筋截面屬性：在對(duì)話(huà)框中輸入截面名稱(chēng)shou，種類(lèi)設(shè)為梁，類(lèi)型選擇桁架，其它參數(shù)不變，點(diǎn)擊繼續(xù)，在對(duì)話(huà)框中材料選擇gang，輸入截面面積201e-6，點(diǎn)擊確定。 利用同樣的方法建立架立筋和箍筋截面，名稱(chēng)為jia和gu的截圖屬性，截面面積分別為113e-6和50.3e-6。 3)給部件賦予截面屬性 在環(huán)保欄部件選項(xiàng)中選擇liang，點(diǎn)擊左側(cè)工具欄的截面賦予圖標(biāo)，選中l(wèi)i

8、ang部件，在編輯截面賦予對(duì)話(huà)框中選中截面liang，點(diǎn)擊確定，部件變?yōu)榍嗌? 利用同樣的方法對(duì)墊塊、受拉筋、架立筋和箍筋賦予相應(yīng)的截面屬性。 3、定義裝配件 在環(huán)境欄模塊列表中選擇裝配功能模塊，點(diǎn)擊工具欄的創(chuàng)建實(shí)體圖標(biāo)，在對(duì)話(huà)框中選擇liang部件，實(shí)體類(lèi)型設(shè)為獨(dú)立，勾選自動(dòng)偏離其他實(shí)體，生成梁部件的三維圖。 利用同樣的方法生成墊塊、受力筋、架立筋和箍筋的三維圖。 利用移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和陣列工具，形成砼梁、鋼筋籠，利用合并工具將鋼筋籠合并為一個(gè)實(shí)體part1，最后將其移至砼梁中，結(jié)果如下圖。 4、定義分析步 在環(huán)境欄模塊列表中選擇分析步功能模

9、塊，點(diǎn)擊創(chuàng)建分析步圖標(biāo)，在對(duì)話(huà)框中選擇靜力一般類(lèi)型，分析步時(shí)間10秒，最大增量步數(shù)1000，初始增量步0.1，最小增量步0.0001，最大增量步10。 5、定義約束 在環(huán)境欄模塊列表中選擇相互作用功能模塊來(lái)定義模型間的相互約束關(guān)系。點(diǎn)擊工具區(qū)的定義相互作用圖標(biāo)，定義墊塊與梁的綁定關(guān)系和鋼筋籠與砼梁的內(nèi)置區(qū)域關(guān)系。通過(guò)定義基準(zhǔn)、參考點(diǎn)，然后定義集中力作用點(diǎn)的藕合關(guān)系。 6、定義荷載和邊界條件 在環(huán)境欄模塊列表中選擇荷載功能模塊，進(jìn)行荷載和邊界條件的定義。 定義邊界條件：點(diǎn)擊工具欄的定義邊界條件圖標(biāo)，在對(duì)話(huà)框中選擇位移和轉(zhuǎn)角類(lèi)型，選擇支座墊塊底面，設(shè)置U1、U2、

10、UR2、UR3為0。 定義荷載 ：點(diǎn)擊工具欄的定義荷載圖標(biāo)，在對(duì)話(huà)框中選擇集中力類(lèi)型，選擇跨中墊塊參考點(diǎn)，在CF2欄中輸入-10000。 7、劃分網(wǎng)絡(luò) 在環(huán)境欄模塊列表中選擇劃分網(wǎng)絡(luò)功能模塊。為使網(wǎng)絡(luò)整齊，在劃分網(wǎng)絡(luò)前，對(duì)梁進(jìn)行分區(qū)。 點(diǎn)擊布置種子圖標(biāo)，在對(duì)話(huà)框中輸入種子大致尺寸0.1，點(diǎn)擊完成。點(diǎn)擊劃分網(wǎng)絡(luò)圖標(biāo)，選擇全部模型，點(diǎn)擊完成，結(jié)果如圖。 8、提交分析作業(yè) 在環(huán)境欄模塊列表中選擇作業(yè)功能模塊，建立作業(yè)，提交。 在計(jì)算素混凝土?xí)r，將part1和鋼筋籠的內(nèi)置區(qū)域禁用，重新建立作業(yè)即可。 二、 結(jié)果分析 鋼筋混凝土梁計(jì)算結(jié)果：跨中最大撓

11、度9.649e-5m,跨中混凝土最大拉應(yīng)力7.21e5N/m2 鋼筋混凝土梁撓度圖 鋼筋混凝土梁應(yīng)力圖 素混凝土梁計(jì)算結(jié)果：跨中最大撓度11.28e-5m,跨中混凝土最大拉應(yīng)力9.829e5N/m2 兩種情況對(duì)比：跨中撓度比9.649e-5/11.28e-5=0.8554，應(yīng)力比7.21/9.829=0.7335。 三、 結(jié)論 忽略鋼筋對(duì)簡(jiǎn)支梁進(jìn)行計(jì)算，跨中撓度比較接近，而跨中應(yīng)力相差較大。 原因：由于鋼筋截面積較小，對(duì)整個(gè)梁的截面剛度提升不大，故撓度變化不大；而因?yàn)殇摻畲嬖冢旱氖軌焊叨劝l(fā)生改變，這時(shí)忽略鋼筋計(jì)算應(yīng)力是沒(méi)有意義的。 參考文獻(xiàn) 王玉鐲,傅傳國(guó). ABAQUS結(jié)構(gòu)工程分析及實(shí)例詳解[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社， 2010 [2] 王勖成 . 有限單元法[M]，北京，清華大學(xué)出版社，2003.7