文档介绍：合理配置钢筋混凝土结构的抗裂钢筋
王显治
河海大学水电院水工结构系,江苏南京(210098)
E-mail:wxz835@
摘要:非线性有限元软件 ADINA[1]提供了能较好的模拟钢筋混凝土结构的单元。通过
ADINA 程序的计算,可以对有裂缝要求的钢筋混凝土结构进行合理的配置钢筋。
关键词:抗裂钢筋,ADINA,rebar 单元
1. 引言
钢筋混凝土结构是国内外工业与民用建筑中应用最为广泛的一种结构型式。而在各个行
业对钢筋混凝土结构的要求有所不同,有的行业要求钢筋混凝土结构不能有裂缝出现,如蓄
水池等。而在一般的设计中,只是用材料力学和一般的有限元法计算出哪些部位出现拉应力
超过混凝土的抗拉承载能力,再参照规范算出需要在该部位配置钢筋的用量。这样做不能反
应钢筋混凝土结构的实际承载情况,对钢筋的配置也不是很合理。由于钢筋混凝土是由两种
不同的材料——钢筋和混凝土组合而成,它的性能明显依赖于这两种材料的性能,特别在非
线性阶段,钢筋和混凝土本身的各种非线性特性,都不同程度地在这种组合材料中反应出来
[2]。利用钢筋混凝土的非线性特性有利于合理利用材料,节省材料,降低工程造价。
2. 混凝土本构模型及钢筋混凝土有限元模型
自从有限元法应用于钢筋混凝土结构计算以来,混凝土的本构关系、钢筋混凝土的有
限元模型等方面的研究取得了很大的进展。文献[3]中介绍了混凝土本构模型有:(1)非线性
弹性模型,包括欧洲模式规范采用的等效单轴应变本构模型(二维)、Ossten 提出的模型(三
维)和非线性弹性的正交异性本构模型。该类模型的共同特点是概念简明、应用方便,在单
调递增荷载作用下可以反应混凝土的主要特点,与实验结果符合良好。这类模型的主要局限
是不能反映混凝土在卸载和周期加载时的特性。(2)弹塑性模型。该类模型可以很好的模拟
混凝土在卸载和周期加载时的变形特性,但难以模拟混凝土内部微裂缝引起的混凝土软化、
膨胀等特性,在模拟非比例加载情况下的混凝土特性时也会遇到很大的困难。钢筋混凝土有
限元模型按钢筋的模拟方法不同,可分为分离式、组合式和整体式 3 中。
大型有限元通用软件程序 ADINA 有其专门的混凝土模型和模拟钢筋的 rebar 单元。
ADINA 在钢筋单元和混凝土单元的接触问题上,不需要设置接触单元,而且钢筋的网格是
自动剖分的,因此避免了混凝土网格与钢筋网格的协调问题,在实际剖分网格计算过程中非
常的方便。
3. 模型的介绍
一长、宽、高分别为 6,, 米的矩形梁,两端简支,受到均布压力荷载。矩形梁
的上部配置两根构造钢筋,底部配置预应力钢筋,每条预应力钢筋预先施加 的应变,
即施加 200MPa 的预应力。混凝土的模拟用 ADINA 的专门混凝土模型,其材料特性如下图。
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图 1 混凝土材料特性图
为了满足混凝土不产生裂缝的要求,分别对混凝土梁的底部配置两根、三根、四根预应力钢
筋进行计算。图 ,图 和图 为底部有两根、三根、四根预应力钢筋的计算网格图。
4. 求解及后处理
图 ,图 和图 分别为底部有两根、三根、四根预应力钢筋的 X 轴向应变图