楊奔

（北海職業(yè)學(xué)院）

0 前言

混凝土和鋼筋是目前使用最多的兩種建筑材料。梁結(jié)構(gòu)是房屋建筑的重要組成部分。在實(shí)際工程中，有的建筑中的鋼筋混凝土梁結(jié)構(gòu)隨著使用時(shí)間的增加在梁跨中部位出現(xiàn)了比較明顯的宏觀裂縫，這些宏觀裂縫是因梁結(jié)構(gòu)受載后梁跨中部位混凝土在拉力或壓力、剪力、彎矩等作用下形成微觀裂縫并逐漸發(fā)展而成的。宏觀裂縫對(duì)梁結(jié)構(gòu)承載能力的影響較大。清華大學(xué)的陸新征、斯特拉斯克萊德大學(xué)的Olena Karpenko 等學(xué)者先后對(duì)鋼筋混凝土梁結(jié)構(gòu)的宏觀裂縫進(jìn)行了研究。對(duì)鋼筋混凝土梁結(jié)構(gòu)宏觀裂縫的研究主要分為兩種途徑。一種是試驗(yàn)研究，另一種是基于建筑信息化的有限元分析研究。陸新征、楊奔等學(xué)者曾通過(guò)試驗(yàn)，研究了梁跨中部位宏觀裂縫對(duì)鋼筋混凝土梁結(jié)構(gòu)受力性能的影響。但是，通過(guò)試驗(yàn)研究宏觀裂縫對(duì)鋼筋混凝土梁結(jié)構(gòu)受力性能的影響，往往只能測(cè)試出梁跨中、加載點(diǎn)等部位某些點(diǎn)的試驗(yàn)值，不能全面獲得鋼筋混凝土梁結(jié)構(gòu)所有位置的受力性能數(shù)值，而基于建筑信息化的有限元分析研究，能夠有效彌補(bǔ)這一缺陷。清華大學(xué)的陸新征學(xué)者，曾通過(guò)有限元方法，將三維梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為二維面單元，定性分析了梁跨中部位宏觀裂縫對(duì)鋼筋混凝土梁結(jié)構(gòu)受力性能的影響。采用二維面單元對(duì)三維梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，在計(jì)算機(jī)性能不夠強(qiáng)時(shí)可節(jié)約一定計(jì)算資源，但因未充分考慮梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部材料的橫向連接而使得有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果有一定差異。如今，計(jì)算機(jī)性能的提升了，使得通過(guò)有限元方法精細(xì)化分析宏觀裂縫對(duì)鋼筋混凝土梁受力性能影響成為可能。本文采用常規(guī)鋼筋混凝土梁的尺寸，建立有限元模型，通過(guò)有限元方法研究宏觀裂縫對(duì)鋼筋混凝土梁受力性能的影響。鋼筋混凝土梁的主要尺寸如圖1 所示。

圖1 鋼筋混凝土梁主要尺寸

1 具有宏觀裂縫的鋼筋混凝土梁有限元模型的建立

1.1 鋼筋混凝土梁有限元模型的建立

采用有限元分析軟件，建立一個(gè)如圖1 所示尺寸的鋼筋混凝土梁有限元模型，其中，鋼筋混凝土梁的總長(zhǎng)度為2500mm，總寬度為150mm，總高度為300mm；混凝土的材料特性為：彈性模量E混為3.25×1010N/m2，泊松比為0.2，抗壓強(qiáng)度f(wàn)c為2.4×107N/m2，抗拉強(qiáng)度f(wàn)t為2.4×106N/m2，混凝土材料采用混凝土塑性損傷模型進(jìn)行有限元分析；鋼筋的材料特性為：彈性模量E鋼為1.9×1011N/m2，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度f(wàn)屈為2.1×108N/m2，鋼筋材料采用桁架單元進(jìn)行有限元分析。

1.2 宏觀裂縫的設(shè)置

為了研究宏觀裂縫的根數(shù)、寬度、深度（高度）、位置對(duì)鋼筋混凝土梁受力性能的影響，建立了如表1 所示的具有宏觀裂縫的鋼筋混凝土梁有限元模型，其中，宏觀裂縫均關(guān)于梁跨中對(duì)稱(chēng)布置。

表1 模型的宏觀裂縫設(shè)置

1.3 荷載的施加及網(wǎng)格的劃分

鋼筋混凝土梁有限元模型采用位移控制施加荷載。進(jìn)行鋼筋混凝土梁有限元模型網(wǎng)格劃分時(shí)，網(wǎng)格單元采用六面體單元，網(wǎng)格近似全局尺寸為10mm。

2 宏觀裂縫對(duì)鋼筋混凝土梁受力性能影響的有限元分析

具有宏觀裂縫的鋼筋混凝土梁有限元模型受載后的損傷云圖如圖2 所示。為了較好地呈現(xiàn)受載后鋼筋混凝土梁的內(nèi)部、外部受力性能，受載后的鋼筋混凝土梁有限元模型損傷云圖采用局部剖視法進(jìn)行呈現(xiàn)。

對(duì)具有宏觀裂縫的鋼筋混凝土梁有限元模型進(jìn)行分析，并與無(wú)宏觀裂縫的鋼筋混凝土梁有限元模型進(jìn)行對(duì)比，可以得出以下分析結(jié)果：

⑴對(duì)圖2 的（a）與（b）進(jìn)行分析可知：對(duì)于無(wú)宏觀裂縫的鋼筋混凝土梁，受拉應(yīng)力損傷首先在鋼筋混凝土梁的跨中部位出現(xiàn)；對(duì)于具有宏觀裂縫的鋼筋混凝土梁，受拉應(yīng)力損傷首先在裂縫部位附近出現(xiàn)。

圖2 具有宏觀裂縫的鋼筋混凝土梁有限元模型受載后的損傷云圖（局部剖視）

⑵對(duì)圖2 的（b）與（c）進(jìn)行分析可知：相鄰宏觀裂縫間距即宏觀裂縫位置的改變，會(huì)影響鋼筋混凝土梁內(nèi)應(yīng)力的分布。

⑶對(duì)圖2 的（b）與（d）進(jìn)行分析可知：宏觀裂縫根數(shù)對(duì)開(kāi)始受載時(shí)鋼筋混凝土梁的受力性能影響較大，但對(duì)加載后期鋼筋混凝土梁的損傷分布影響并不是很大。

⑷對(duì)圖2 的（b）與（e）進(jìn)行分析可知：隨著宏觀裂縫深度（高度）的增加，宏觀裂縫附近的鋼筋混凝土梁損傷程度增強(qiáng)。

⑸對(duì)圖2 的（c）與（f）進(jìn)行分析可知：宏觀裂縫寬度對(duì)鋼筋混凝土梁的損傷分布影響并不是很大。

3 結(jié)語(yǔ)

本文主要從具有宏觀裂縫的鋼筋混凝土梁有限元模型的建立、宏觀裂縫對(duì)鋼筋混凝土梁受力性能影響的有限元分析等方面，對(duì)宏觀裂縫對(duì)鋼筋混凝土梁受力性能的影響進(jìn)行了研究，為相關(guān)的工程技術(shù)人員人員提供一定的參考。