基于ansys分析主筋配筋率对RC梁抗剪承载力影响

基于ansys分析主筋配筋率对RC梁抗剪承载力影响

董帆

身份证号：330621199511029174

摘 要

随着我国经济快速发展，我国的桥梁建设取得了巨大的成果，而在桥梁建设中，RC梁作为桥梁工程结构中最为基本的承重构件，应用范围广泛。其中影响RC梁极限抗剪承载力的因素较为繁多，如主筋配筋率、剪跨比、配箍率、混凝土标号等。本文主要就主筋配筋率对RC梁极限抗剪承载力的影响进行研究分析。

本文对国内外RC梁的极限抗剪承载力研究现状以及发展趋势进行了阐述，选取1片标号为DL的梁作为基准试验梁，获得该梁极限抗剪承载力，按照试验梁的设计参数，采用ansys有限元软件建立了x片有限元模型，通过ANSYS有限元软件模拟RC梁结构模型进行抗剪承载力实验，研究不同设计参数主筋配筋率对梁抗剪承载力的影响，然后通过有限元分析，获得RC梁抗剪承载力变化规律。通过对实验和数据模拟计算的结果进行对比分析，提出在其他参数不变，改变主筋配筋率对RC梁抗剪承载力的影响规律。

关键词：RC梁；主筋配筋率；抗剪承载力；有限元分析

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主筋配筋率对RC梁抗剪承载力影响的分析

前言

随着我国社会和经济的发展，桥梁作为交通运输的主要枢纽，许多桥梁行业的专家人员对桥梁也有了进一步系统研究。RC梁是由钢筋和混凝土组合浇筑而成的梁，钢筋混凝土梁应用范围广泛，是桥梁、房屋建筑等工程结构最基本的承重构件。国内外大量科研人员就钢筋混凝土梁剪切破坏试验推导出很多计算模型。随着科技的快速发展，人们为了便于科学研究，研制出了很多有限元工程软件，本文主要使用ANSYS有限元软件进行试验。本文主要对主筋配筋率率对RC梁抗剪承载力的影响进行研究分析，通过对1片标号为DL的梁作为基准试验梁进行试验研究，采用ansys有限元软件，按照试验梁的设计参数进行模拟，获得了RC梁抗剪承载力的变化规律，提出在其他参数不变，改变主筋配筋率对RC梁抗剪承载力的影响规律。

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主筋配筋率对RC梁抗剪承载力影响的分析

1.绪论

1.1 研究背景

随着城市化和基建事业的快速发展，钢筋混凝土构件是现代地上建筑结构和地下建筑结构中使用最为广泛的建筑材料之一，钢筋混凝土梁于1849年首次应用于土木工程中，由于其具有耐火性、整体性、可模性、经济性、耐久性等方面的优点，使得钢筋混凝土梁广泛的应用于土木工程中，它由两种钢材和混凝土材料组成。由于钢筋混凝土梁的力学性能能够直接的影响到整个建筑物的安全性，因此对于钢筋混凝土梁抗剪承载力的研究是很有意义的。对于RC梁的抗剪承载力的研究，到如今已经有了百年的历史，但是由于RC梁的抗剪机理比较复杂，其抗剪承载力的影响因素有很多，其中国内外大量学者也对RC梁的抗剪强度影响因素有着大量研究，其中对剪跨比，梁尺寸，混凝土标号、配箍率、配筋率、预应力等等影响因素的研究也非常多，本文主要着重于RC梁的主筋配筋率对其抗剪承载力的影响分析展开研究。

1.2 研究的目的和意义

由于实体试验受时间、空间和经济条件限制，试验研究在数量、空间规模和适用范围等诸多方面受到较大的制约，试验的开展有比较大的困难，所以利用ansys有限元软件，采用有限元分析的方法，对RC梁结构模型进行抗剪承载力实验，研究在其他条件不变的情况下，单独改变主筋配筋率对梁抗剪承载力的影响，获得RC梁抗剪承载力变化规律。

1.3 国内外研究现状

从20世纪初期至今，国内外的专家们对钢筋混凝土梁的抗剪切破坏进行了细致的研究，而且推导出了各种各样的计算模型。主要有古典桁架-拱型理论、软化桁架模型、桁架-拱模型、压力场理论、塑性理论还有则是极限平衡理论、统计分析法和有限元分析方法。在这其中前面五种理论都是属于桁架理论，这五种理论与极限平衡理论主要是对于构件剪切破坏机理的探讨，而统计分析法主要是基于大量的实验数据进行了统计和分析，有限元分析法则是随着计算机技术的日益普及而随之出现的。

随着计算机技术的快速发展和普及的，计算机作为辅助工具在提高社会劳动力和生产力方面发挥着越来越重要的作用。国际上，土木工程领域中已经把有限元分析法作为分析软件中的主要手段，有限元分析法在钢筋混凝土的结构分析中已经有了广泛的应用。该方法在模拟过程中可以给出构件在受力情况下内力的变化以及变形发展的整个过程，还可以描述构件的破坏的历程以及构件破坏形式的整个过程，最后还可以评估构件的抗剪承载力。因此，有限元法在钢筋混凝土设计计算中具有无可比拟的优势。

1.4本文主要研究内容

本文通过在逐级加载的情况下对RC梁的抗剪试验以及有限元软件的模拟分析，针对配筋率对钢筋混凝土梁的抗剪承载力的影响做了详细分析，主要研究方案如下：

（1）首先进行RC梁抗剪试验，通过试验了解RC梁的破坏机理和其承载力值。

（2）通过有限元软件建立不同主筋配筋率RC梁的模型。

（4）进行不断的试算，求解分析。

（3）得出在不同主筋配筋率的情况下，RC梁的抗剪承载力的变化规律。

1.5 在研究过程中主要存在的问题及解决方案

主要问题：1.基准梁比较少，试验结果对比有限元计算结果的数据较少。2.模型设计梁体较大，计算时间较长。3.收敛时三维模型计算过程中收敛困难。

解决方案：1.加密设计参数，多次试算减少误差。2.降低计算精度，从而使计算速度提高。3.多次试算，加速收敛。

2试验概况

2.1 试验梁设计与材料

2.1.1 试验梁尺寸

本实验选取1片编号为DL的梁进行试验，试验梁尺寸参数为梁长300cm，梁宽20cm，梁高40cm，计算跨径为280cm。试验梁设计参数剪跨比为2、原梁配筋率为2%，砼标号为C30，原梁配箍率0.35%。

2.1.2 试验材料

根据试验计划，选用C30标号的混凝土进行试验。试验梁中包含的钢筋主要是纵向受拉、受压主筋、体内箍筋、架立钢筋。

2.2 试验内容

对DL梁进行加载破坏试验，记录分析DL梁到达破坏时的梁体变化。以及钢筋应力情况和应变情况、梁体裂缝情况和混凝土的破坏情况。对DL梁采用单调逐级加载方式，用液压千斤顶作为加载工具。

2.3加载破坏标志

参考混凝土结构试验方法标准（GB 50152—2012），试验梁的抗剪加载破坏标志如下：

（1）斜裂缝起始处受压区混凝土剪压破坏；

（2）受压区混凝土被压碎；

（3）箍筋与斜裂缝相交处的裂缝宽度达到1.5mm。

2.4试验结果

当荷载达到350KN时候，梁结构呈现破坏状态：试验梁裂缝达到1.5mm，屈服荷载为270kN，受压区混凝土被压碎。伴随着荷载的不断增加，试验梁的裂缝宽度显著增加，试验梁加载后的极限荷载值为350KN..

3钢筋混凝土梁有限元理论

3.1有限元理论概述

自60年代有限元分析法发展至今，有限元分析法主要经历了三个阶段，即简单分析、深入分析以及广泛应用。上世纪60年代，美国学者D.Ngo和AC5cordelis最早在对钢筋混凝土梁进行抗剪分析时，就是使用有限元分析法，其主要提出了三角单元概念，即整个元素单元被分为三角形，而有限元分析法将单元划分为六面体，并采用线弹性理论研究钢筋和混凝土的应力变化。1977年，有限元分析法来到了深入分析阶段，在裂缝的模拟以及销栓作用、粘结等内容都有过深入研究，并有专门学者对每一项研究内容进行系统的总结和学术交流。自1985年到现在，人们也越来越熟练的运用有限元研究分析钢筋混凝土，并且其中大部分被用于早期设计和后期理论验证。随着研究领域和方向不断拓展，有限元分析已逐步探索了模型和材料参数。

3.2有限元法在RC梁分析中应用

目前钢筋混凝土最为土木工程建筑中的主要材料，非线性有限元分析法能够准确的计算分析出钢筋混凝土的实际受力情况，而线弹性法无法准确计算。有限元可以解决很多问题，如材料复杂问题、受力状态不同步问题、边界条件问题等，并且之后通过前处理和后处理功能，在各种设计方案中选择最佳设计方案，同时与试验结果作对比，验证试验方案的有效性。

4.有限元模型的建立

4.1基本假设

本文用有限元ANSYS分析软件进行分析。其基本假设如下：

（1）采用分离式建模。

（2）混凝土抗弯强度和抗拉强度参数均取自材料试验值。

（3）在不考虑钢筋的初始几何缺陷和残余应力的情况下，屈服强度和抗拉强度取自材料的试验值，。

（4）混凝土采用的是Willam-Warke五参数破坏准则。

（5）混凝土采用美国Hognestad本构关系。

（6）将混凝土模型划分为两个不同尺寸的20mm和60mm的单元网格，将钢筋划分为20mm单元网格。

（7）计算步骤是施加集中荷载，为了加速收敛，打开自动荷载步计算。该计算方法为收敛精度为0.035的线性迭代法。

（8）采用全梁建模分析。

4.2建立梁体模型

4.2.1单元模型

（1）混凝土单元

本文选用的是SOLID65单元来对混凝土进行模拟试验，见图4-4。该单元适用于混凝土和岩石等非均质材料，其强度远远大于抗拉强度，可以很好地预测混凝土的开裂、破碎和应力释放，并广泛应用于钢筋混凝土的大型模拟和分析。是通过将整体的混凝土梁划分成一定数量个六面体来进行模拟的，在求解区域内可以将它看作成是由多个节点相互连接的单元而形成的，SOLID65单元有八个节点，其中每一个节点上有三个自由度，在X、Y、Z三轴方向上的有线位移，并且都能开裂，如果节点被压碎，可以调整材料特性来模拟裂缝；假定混凝土是各向同性的。

（2）钢筋单元

选用link8单元来模拟钢筋单元，该单元有两个节点。每个节点具有三个自由度，能够沿着坐标系X、Y、Z三个方向的平动。

（3）垫块单元

本文为了防止加载单元附近的应力过于集中使混凝土损伤破坏，在设计的模型中添加了加载垫块单元，使用SOLID45单元模拟垫块，其弹性模量要高于SOLID65单元，从而增加其刚度。

4.2.2 建立模型方法

本文采用对混凝土切分的方法，先建立混凝土模型，对混凝土中钢筋所在位置进行横竖面的切割。因为切线是混凝土中的一部分，所以钢筋与混凝土之间不存在联结问题，钢筋都切分完成之后，需要对整体的模型需要进行网格划分，赋予所需的材料属性。本文采取了20mm和60mm这两种网格来划分尺寸，经过计算后表明，60mm的模型网格计算精度比20mm的模型网格要低，表明了对于中等尺寸的钢筋混凝土结构，20mm的网格计算精度更为高.

4.3分析方法

采用线性迭代法计算割线刚度。为了便于计算和收敛，梁的集中载荷需要加载步骤。在开始时，应用更大的力计算模型。利用时间历程和一般后处理功能求出了结构材料的应力值和整个模型的挠度和应力应变时间曲线。确定梁的极限荷载。

4.4收敛控制

收敛的概念就是有限元计算中连续方程迭代的计算，当残差小于收敛准则时完成计算。收敛标准包括力、弯矩、位移和角度的收敛。一般来讲，选择力是收敛的标准。为了提高计算精度，本文以力和位移为基本收敛准则，精度为0.035，最大迭代次数为200次。

5. ANSYS有限元结果分析

5.1 试算有限元计算值

在施加梁约束以后需要试算有限元模型的极限抗剪承载力其中求解控制装置有限元命令流主要如下：

/solu/antype,0/outres,all,all/autos,on/cnvtol,f,,0.15/p0=250000/125/200/asel,s,loc,y,410/sfa,all,1,pres,p0/allsel,all/Solve

其中p0=250000/125/200表示250KN除以125mm*200mm的垫块表面积。通过改变p0施加的荷载，运行命令流当计算成功代表梁未破坏，计算失败则梁体破坏，例如当p0=260KN时计算成功，再次运行命令流荷载为p0=270KN时，有限元模型求解失败，梁模型破坏。则代表在该设计参数下有限元模型的抗剪承载力为260KN，通过连续的试算不同配筋率的有限元模型，得到不同配筋率的有限元模型的抗剪承载力。

5.2 验证模型的有效性

本文采用试验梁DL的试验结果在设计参数均不改变的情况下对有限元模型进行验证，结果表明有限元计算的极限荷载与试验得到的极限荷载的数据误差保持在10%之内，说明有限元计算模型计算结果比较准确可靠。

试验梁DL配筋率为2%时，试验值为350KN，有限元计算值为340KN差值比率为2.86%。

5.3 模型位移

在计算收敛后，要对结果进行观察与分析，ANSYS软件一般可以通过时间历程得到后处理和数据处理以及图表处理。其中，一般的后处理可用于在计算过程中对所有载荷步骤中的各种材料的机械图、应力和应变值进行调整，并对每个节点的机械变化数据进行调整。时间过程后处理是将时间元素添加到模型的计算过程中，从而可以从计算结果中找到材料力学和时间变化关系。同时通过ANSYS Mechanical APDL 15.0在计算完成以后可以得到有限元模型结构竖向位移分布等值线图

图5-1 RC梁结构竖向位移分布等值线图

通过观察模型位移可以使我们更好的了解到RC梁抗剪切承载的混凝土单元的变化趋势以及钢筋的抗拉抗压的工作机理。

5.4结果分析

5.4.1 模型设计参数

本文为进一步研究配箍率对RC梁极限抗剪能力的影响，弥补实际试验过程中梁数量的不足，除了对试验梁D1建立有限元计算模型外，另外在控制其他设计参数不变的情况下，根据试验梁设计基础对不同的主筋配筋率建立了有限元计算模型，本文通过对在剪跨比为2、配鼓率为0.35%、混凝土强度为C30的情况下对配筋率为1.4%、1.7%、2.0%、2.3%、3.0%进行测试.

5.4.2 有限元计算结果分析

试验表明，随着主筋配筋率的逐渐增加，RC梁的抗剪承载力逐渐增加，主筋配筋率与抗剪承载力之间呈非线性增长，并将计算结果绘成曲线图，如图5-2

图5-2主筋配筋率率对RC梁抗剪承载力的影响

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主筋配筋率对RC梁抗剪承载力影响的分析

6.结论

本文系统讲述了主筋配筋率对RC梁抗剪承载力影响试验以及钢筋混凝土梁非线性有限元模型的建立过程，对试验的测试内容、材料的本构关系及材料的屈服准则等重点进行了详细的表达，并介绍了ANSYS有限元的建模方法以及模型计算得出的数据处理方法。通过观察有限元模拟的结果可以得到在从1.4%到3%的配筋率的范围内改变RC梁的主筋配筋率的情况下，随着主筋配筋率的不断变大，RC梁的极限抗剪承载力也随之增加，并且随着配筋率的不断增加，承载力的提高比率也随之变大。通过ANSYS有限元的竖向位移分布等值图以及在资料中查询了解到原因是由于纵筋在RC梁体内销栓作用，且随着主筋配筋率的增加，在梁内的剪压区的销栓作用也随之增加，导致了传递的剪力增加从而使得梁抗剪承载力增加。

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