基于建筑信息化的宏观裂缝对钢筋混凝土梁受力性能影响的有限元分析

杨奔

（北海职业学院）

0 前言

混凝土和钢筋是目前使用最多的两种建筑材料。梁结构是房屋建筑的重要组成部分。在实际工程中，有的建筑中的钢筋混凝土梁结构随着使用时间的增加在梁跨中部位出现了比较明显的宏观裂缝，这些宏观裂缝是因梁结构受载后梁跨中部位混凝土在拉力或压力、剪力、弯矩等作用下形成微观裂缝并逐渐发展而成的。宏观裂缝对梁结构承载能力的影响较大。清华大学的陆新征、斯特拉斯克莱德大学的Olena Karpenko 等学者先后对钢筋混凝土梁结构的宏观裂缝进行了研究。对钢筋混凝土梁结构宏观裂缝的研究主要分为两种途径。一种是试验研究，另一种是基于建筑信息化的有限元分析研究。陆新征、杨奔等学者曾通过试验，研究了梁跨中部位宏观裂缝对钢筋混凝土梁结构受力性能的影响。但是，通过试验研究宏观裂缝对钢筋混凝土梁结构受力性能的影响，往往只能测试出梁跨中、加载点等部位某些点的试验值，不能全面获得钢筋混凝土梁结构所有位置的受力性能数值，而基于建筑信息化的有限元分析研究，能够有效弥补这一缺陷。清华大学的陆新征学者，曾通过有限元方法，将三维梁结构简化为二维面单元，定性分析了梁跨中部位宏观裂缝对钢筋混凝土梁结构受力性能的影响。采用二维面单元对三维梁结构进行有限元分析，在计算机性能不够强时可节约一定计算资源，但因未充分考虑梁结构内部材料的横向连接而使得有限元分析结果与试验结果有一定差异。如今，计算机性能的提升了，使得通过有限元方法精细化分析宏观裂缝对钢筋混凝土梁受力性能影响成为可能。本文采用常规钢筋混凝土梁的尺寸，建立有限元模型，通过有限元方法研究宏观裂缝对钢筋混凝土梁受力性能的影响。钢筋混凝土梁的主要尺寸如图1 所示。

图1 钢筋混凝土梁主要尺寸

1 具有宏观裂缝的钢筋混凝土梁有限元模型的建立

1.1 钢筋混凝土梁有限元模型的建立

采用有限元分析软件，建立一个如图1 所示尺寸的钢筋混凝土梁有限元模型，其中，钢筋混凝土梁的总长度为2500mm，总宽度为150mm，总高度为300mm；混凝土的材料特性为：弹性模量E混为3.25×1010N/m2，泊松比为0.2，抗压强度fc为2.4×107N/m2，抗拉强度ft为2.4×106N/m2，混凝土材料采用混凝土塑性损伤模型进行有限元分析；钢筋的材料特性为：弹性模量E钢为1.9×1011N/m2，泊松比为0.3，屈服强度f屈为2.1×108N/m2，钢筋材料采用桁架单元进行有限元分析。

1.2 宏观裂缝的设置

为了研究宏观裂缝的根数、宽度、深度（高度）、位置对钢筋混凝土梁受力性能的影响，建立了如表1 所示的具有宏观裂缝的钢筋混凝土梁有限元模型，其中，宏观裂缝均关于梁跨中对称布置。

表1 模型的宏观裂缝设置

1.3 荷载的施加及网格的划分

钢筋混凝土梁有限元模型采用位移控制施加荷载。进行钢筋混凝土梁有限元模型网格划分时，网格单元采用六面体单元，网格近似全局尺寸为10mm。

2 宏观裂缝对钢筋混凝土梁受力性能影响的有限元分析

具有宏观裂缝的钢筋混凝土梁有限元模型受载后的损伤云图如图2 所示。为了较好地呈现受载后钢筋混凝土梁的内部、外部受力性能，受载后的钢筋混凝土梁有限元模型损伤云图采用局部剖视法进行呈现。

对具有宏观裂缝的钢筋混凝土梁有限元模型进行分析，并与无宏观裂缝的钢筋混凝土梁有限元模型进行对比，可以得出以下分析结果：

⑴对图2 的（a）与（b）进行分析可知：对于无宏观裂缝的钢筋混凝土梁，受拉应力损伤首先在钢筋混凝土梁的跨中部位出现；对于具有宏观裂缝的钢筋混凝土梁，受拉应力损伤首先在裂缝部位附近出现。

图2 具有宏观裂缝的钢筋混凝土梁有限元模型受载后的损伤云图（局部剖视）

⑵对图2 的（b）与（c）进行分析可知：相邻宏观裂缝间距即宏观裂缝位置的改变，会影响钢筋混凝土梁内应力的分布。

⑶对图2 的（b）与（d）进行分析可知：宏观裂缝根数对开始受载时钢筋混凝土梁的受力性能影响较大，但对加载后期钢筋混凝土梁的损伤分布影响并不是很大。

⑷对图2 的（b）与（e）进行分析可知：随着宏观裂缝深度（高度）的增加，宏观裂缝附近的钢筋混凝土梁损伤程度增强。

⑸对图2 的（c）与（f）进行分析可知：宏观裂缝宽度对钢筋混凝土梁的损伤分布影响并不是很大。

3 结语

本文主要从具有宏观裂缝的钢筋混凝土梁有限元模型的建立、宏观裂缝对钢筋混凝土梁受力性能影响的有限元分析等方面，对宏观裂缝对钢筋混凝土梁受力性能的影响进行了研究，为相关的工程技术人员人员提供一定的参考。