钢筋混凝土曲梁受扭性能有限元分析

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发布时间：2021-09-13

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钢筋混凝土曲梁受扭性能有限元分析
任丽波，李捍文
(1．哈尔滨市建设工程质量监督总站。哈尔滨150076； 2．哈尔滨市建筑设计院．哈尔滨150076)
【摘要】钢筋混凝土曲梁是弯扭剪复合受力构件，结构自重与外部荷载都会引起不同程度的复合受力工
况。以往在建筑结构的曲梁设计中，梁的曲率往往比较小，不存在很大扭矩，只需弯扭分别计算进行叠加即可。工
程实践中，由于建筑功能日益复杂，大曲率曲梁的应用增多，采用传统的设计方法难以满足设计要求。本文建立
了大曲率曲梁的有限元模型，应用大型通用有限元软件ABAQUS进行了数值模拟，并将有限元分析结果与规范公
式计算结果进行了对比，提出了设计建议。
【关键词】钢筋混凝土；曲梁；抗扭力学性能；有限元模型
【中图分类号】TU375．1 【文献标识码】 B 【文章编号】 1001—6864(2011)05—0039一O2
目前，公共建筑的功能日益复杂，钢筋混凝土曲梁在建
筑结构中的应用日益广泛，对钢筋混凝土梁的弯扭剪复合
受力性能的研究成为当前研究的热点。针对圆弧曲梁，国
内外许多学者就各种边界条件、荷载工况、曲梁曲率、圆心
角、梁箍筋配置、材料强度等方面做了大量研究” 。但是针
对圆弧形曲梁这种特殊而又复杂的结构，在基本理论、有限
元静力研究、动力方程、组合曲梁性能、能量的传递、曲梁非
线性等问题上，虽然有了很多初步理论，但是都缺少实验验
证 ]，所以在实际工程应用中还是要根据具体情况认真分
析，从而取得最好的效益。本文进行了钢筋混凝土曲梁的
有限元模拟，进行了参数分析，并与规范进行对比，根据研
究结果提出了设计建议，可为工程实践提供参考。
1 模型建立
1．1 材料本构关系
混凝土采用ABAQUS软件中自带的塑性损伤模型。混
凝土的受压应力一应变曲线采用了过镇海等建立的应力
一应变曲线，该曲线也被推荐为规范采用，适用于钢筋混凝
土结构的非线性有限元分析。钢筋采用双折线本构关系，
材料强度见表1。
表l 曲梁模型材料
1．2 单元选取与模型设计
曲梁模型中：① 混凝土采用“C3D8R”实体单元，即三维
8节点降阶(减缩)积分实体单元。在ABAQUS中，对降阶
(缩减)积分单元引入少量的人工“沙漏刚度”以限制沙漏模
式的扩展；②纵筋采用B31线性梁单元，允许剪切变形，并
考虑了有限轴向应变。不仅适合于模拟厚截面梁，也适合
于模拟薄截面梁；③箍筋采用T3D2桁架单元，该单元属于
三维两节点桁架单元，每个节点有三个自由度，只承受轴
向荷载，不能承受弯矩。
曲梁几何尺寸：曲梁高700mm，宽350mm，纵向配置
10~25，配筋率为2％，箍筋e~10@150，配箍率1％；楼板厚
120mm，双层双向配置~blO@150钢筋网片。
2 有限元分析
使用有限元分析软件ABAQUS计算得出两种模式(有／
无楼板约束)的梁在受到均布荷载作用下的应力云图，可以
清晰的判断曲梁的受力机理及传力路径。通过程序自动提
取的拱长一位移曲线，可以得到曲粱的抗扭极限承载力及
沿各坐标方向最大位移，方便进一步确定曲梁的破坏模式。
模型一，模拟曲梁在两端固接且没有楼板约束的边界
条件下，受到均布荷载作用。曲梁受到均布荷载一lOOk／~I／
m，作用方向沿笛卡尔坐标z轴的负向。梁两端边界条件为
完全固接，即限制梁端所有位移和转角。纵筋单元与箍筋
单元采用耦合方式进行节点间对应。所有钢筋单元和混凝
土单元采用嵌固方式进行节点间对应。
(a】模型一曲梁混凝土应力云图 (b)模型一曲梁钢筋应力云图
图1模型一曲梁应力云图
耐
0 8
＼＼一／
0．6 。／／
． =
l／ ⋯ ：二
- 0．5 0 O．5 1 1．5 2
位移／mm
图2模型一拱长一位移曲线
模型一的应力云图见图l。分析可知，由于没有板的
约束作用，曲梁受扭明显，钢筋最大应力12．65MPa，混凝土
最大应力3．12MPa，混凝土受拉破坏，钢筋应力还很小。说