钢筋混凝土框架开孔梁受力性能的研究

徐继承

摘要：随着中国城市化进程的加快，旧城改造与城中村改造日渐成为了人们关注的热点问题。70-80年代的低层危旧建筑在陆续退出历史舞台后，结合城市总体规划逐步由“高楼大厦”所代替，然而，新的建筑结构安全隐患正在悄然无声蔓延着，并且有发展趋势——即住房（含保障性住房、商品房）建筑装饰装修阶段随意在框架梁上后开孔和开槽现象。通过采用有限元方法进行框架梁后开孔受力分析，对其开孔前后应力变化进行对比，以促进建筑装饰装修阶段对既有钢筋混凝土框架梁保护意识，确保住房主体结构安全。

关键词：钢筋混凝土;开孔梁;应力分析

引言

随着人们物质生活水平的不断提高，对住宅装饰装修美观性、舒适性提出了更高的要求。同时，享受型和发展型商品诞生（即卡式多联机空调一拖多和空气能热水器取代单一的立式（挂式）空调和电热水器），也伴随越来越多既有建筑在装饰装修阶段为提高吊顶高度，对钢筋混凝土框架梁进行开孔，从而使各种管线从梁中孔洞穿过，换取挤占梁下空间的现象。使得框架梁有效截面减小，结构强度和刚度降低，削弱框架梁的受剪和抗震能力，在装饰装修完成后框架承重梁开孔处被吊顶的所隐蔽，即使开孔处出现任何变形或破坏也难以发现，将给建筑物埋下极大安全隐患。因此，为保证建筑物结构安全可靠，系统的研究混凝土框架梁后开孔的受力特征和抗震性能，显得极为迫切和重要，具有重要的现实意义。针对钢筋混凝土框架开孔梁的受力性能，国内和国外学者开展了大量的理论分析与试验研究[1-6]，并且总结了许多有实际意义的结论，但这些研究都仅集中在简支梁为主的开孔梁构件的受力机理的研究上，然而，对于如何有效地控制既有建筑混凝土框架梁后开孔受力性能的研究相对较少。

本文利用ABAQUS有限元计算软件模拟对既有建筑钢筋混凝土框架梁上后开孔不同位置、大小和孔数的实际案例进行有限元仿真分析，得出不同大小和孔数的混凝土框架梁后开孔刚度影响程度。以减少采用试验方式高额的试验费用、压缩课题研究时间和弥补试验结果离散等系列缺点，还能更加系统的观测到变量间的相關性。将梁开孔前、后的力学指标进行分析，重点研究钢筋混凝土框架梁端后开不同数量和大小孔洞后在荷载作用下的受力特征和抗震能力，从而检验既有建筑主体结构安全性，以供相关设计人员和广大业主在今后涉及建筑结构主体安全使用提供参考。

1 有限元分析原理

有限元分析，是利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。同时，利用简单而又相互作用的元素（即单元），就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。

有限元分析方法是用相对简单的问题代替复杂问题后再对其分析求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，我们可以假定对每一单元都有一个合适的特定解，且是一个相对简单的近似解，然后通过再推导求得其解，最终得出这个域总的满足条件（如结构的平衡条件），从而使得复杂问题变成简单问题。因为实际复杂难解的问题被相对简单的问题所代替得到求解，所以这个可以求得的解是一个近似的解。

2 有限元分析模型的建立

本模型来源于温州市某安置房建设工程，在竣工验收后，安置户陆续拿到房屋钥匙，开始对室内装饰装修。由于目前装饰装修通常做法是将水、电、空调管线敷设在吊顶内，但梁下实际净高仅2.5米，鉴于楼层高度限制，相应的管线若在梁下敷设，将导致吊顶高度整体下降，在视觉上产生压抑感。因此，为满足提升吊顶高度需要对既有混凝土框架梁进行开孔，使管线从中穿过。结合施工图设计文件得知，框架梁上受力区域内楼面恒荷载取值26.8KN/m2，活荷载取值8.6KN/m2（标准值）。

2.1 材料本构及关系模型

2.1.1 钢筋的本构关系模型钢筋混凝土梁主要由钢筋和混凝土两种材料组成。混凝土的抗压能力较强而抗拉能力很弱，钢筋的抗拉能力很强的特点，用钢筋弥补混凝土材料延性和抗拉能力的缺陷。钢筋混凝土在非线性有限元分析中，钢筋的本构关系（即应力应变本构关系模型）采用了描述完全弹塑性的双直线模型。《混凝土结构设计规范》GB50010-2010（2015年版）[7]，附录C.1.2钢筋单调加载的应力_应变关系曲线如图C.1.2所示，其关系式如式（C.1.2-1）和（C.1.2-2）所示。

2.1.2 混凝土的本构关系模型

在进行钢筋混凝土结构非线性分析过程中，合理选择混凝土本构关系显得尤为重要。由于不同的本构关系会导致材料在分析时产生完全不同的力学性能，其模型对分析起到非常重要的作用。由于混凝土自身的复杂多变性，到目前为止，许多学者经过大量的研究，得出多种本构关系模型，每种各有自身的特点，对于常用的本构关系模型可分为四种类型：线弹性模型、非性线弹性模型、塑性理论模型、其他力学理论模型。由于混凝土材料容易受内在和外部因素影响，具有极大的不确定性。因此，每一种本构关系模型都仅表现各自混凝土材料的附加内力和变形的程度情况，无法将混凝土材料的特点全面准确的体现出来。《混凝土结构设计规范》GB50010-2010（2015年版）[7]，附录C.2.3钢筋单调加载的应力_应变关系曲线如图C.2.3所示，其关系式如式（C.2.3-1）、（C.2.3-2）、（C.2.3-3）和（C.2.3-4）所示。

混凝土单轴受拉的应力-应变曲线（图C.2.3），可按下列左图公式确定：

混凝土单轴受压的应力-应变曲线，可按右图公式确定：

2.1.3 ABAQUS中混凝土本构模型

在ABAQUS有限元分析软件中有三种混凝土本构模型可供选择，分别为：弥散开裂模型、脆性破裂模型和塑性损伤模型。本文在混凝土本构模型时，选用了塑性损伤模型，计算模型可模拟混凝土中相关材料和加载过程的力学特性。即混凝土的两个失效机制：一个是拉伸开裂，另一个是压缩破坏。当围压升至可以抵抗裂缝延展时，混凝土材料所表现的性能就类似于硬化后的延性材料。