叶周岭 王新 李登国 路彭镇 浙江省龙泉市交通运输局交通行政执法大队 衢州市柯城区公路管理中心 浙江工业大学土木工程学院
摘要: 钢筋混凝土板周围支撑受力复杂。为了更好地掌握钢筋混凝土板的受力行为，本文基于通用有限元程序ANSYS建立精细化有限元模型，并对钢筋混凝土板进行非线性分析。利用周围支撑，以具有边界条件的混凝土箱梁桥的各墙板为研究对象。根据钢筋、混凝土等材料的本构模型选择单元，模拟分析各单元的使用条件和结构的受力特性，并将材料属性赋给有限元模型，建立三元模型基于有限元程序的钢筋混凝土板尺寸分析模型。利用有限元程序的命令流程进行参数化并建立有限元分析模型，编写命令流程完成结构静、动态性能的仿真分析，提出具体的仿真分析方法和钢筋混凝土的实现模拟分析为类似结构提供模拟。分析提供参考。
关键词：钢筋混凝土板；固体有限元模型；机械行为；
作者简介：叶周岭(1991—),男,硕士研究生,工程师,研究方向:交通运输工程。 ;
0 简介
随着我国交通基础设施的快速发展，桥梁建设突飞猛进。截至目前，仅公路桥梁数量就已超过90万座。然而，建成后的桥梁结构在车辆荷载、环境因素和长期疲劳使用过程中，逐渐出现裂缝和钢筋混凝土板损伤，影响桥梁结构的使用性能和维护管理的安全。 。大量桥梁结构建成投入使用后，混凝土桥梁结构的破损及裂缝防治问题日益突出。尤其是混凝土桥梁结构的弯曲、扭转、剪力滞等空间效应和动力性能成为当前研究人员关注的焦点。重点。混凝土梁由各种混凝土板组成。混凝土桥梁的典型病害往往是梁各壁板的开裂。因此，混凝土桥梁墙板结构的静力行为和动力行为的模拟分析也常常被用来了解梁体的开裂情况。其原因及防治的重要研究内容[1,2,3]。
针对上述问题，大量学者进行了大量的研究。 2020年，叶坤等以淮南孔里淮河大桥为研究对象。文献[4]建立了与淮南孔力淮河大桥相同尺寸的部分桥面作为分析试验试件。共设计三组九个试件对桥面板进行分析测试，通过模型试验推导并测量了钢-混凝土组合桥面板的力学性能。在长期车辆荷载与温度的耦合作用下，钢-混凝土组合桥面板会因温度梯度的差异而造成由外部到内部的热量传递不均匀，使得组合桥面板对温度影响更加敏感，可能超过活荷载和恒温效应。载于[5]。
我国工程实践和设计中，考虑膜效应，根据板结构的需要，将弯矩设计值乘以折减系数。为了分析配筋率、跨高比、侧向约束刚度、边界条件等因素对膜效应和极限承载力的影响，蒋林[6]采用有限元模拟方法对应力进行了研究。 -基于屈服弹塑性理论和线理论的承载结构。横向约束钢筋混凝土空心板的力学行为。王刚等基于附加承载力理论。文献[7]提出了考虑压膜效应的极限承载力计算方法，将板在不同荷载作用下的响应叠加，得到考虑压膜效应后钢筋混凝土板的承载力。为了分析梁结构刚度对板结构受力行为的影响，赵斌等人研究了梁结构刚度对板结构受力行为的影响。文献[8]在通用有限元程序的基础上建立了多套模型。郑宇等. [9]通过模型试验研究了混凝土桥面板的受力行为。结合混凝土板内压膜效应，研究结果验证了钢筋混凝土板的真实受力特性。为了研究配筋率、几何尺寸、混凝土强度和边界条件等因素对板受力行为的影响，李永春[10]基于通用模型对四面固定矩形板进行了仿真分析。有限元程序。结合模拟分析结果和回归分析方法，确定了考虑压膜效应的固定钢筋混凝土矩形板极限承载力的计算公式。
为了探究BFRP对混凝土板力学性能的影响，王军等人。文献[11]根据现行规范提出了对BFRP板承载力计算方法的修改。针对预应力混凝土箱梁各墙板的开裂问题，李攀[12]基于通用有限元程序建立了分析模型，从设计、施工维护、运行维护等不同阶段进行了仿真分析。 ，并探索了开裂的马镫和腹板。从设计、施工等多个方面分析了厚度对预应力箱梁各壁板力学性能的影响，并提出了相应的优化和预防策略。为了了解早期拆除模板系统与传统模板系统在受力性能和安全可靠性方面的差异，田勇等人研究了早期拆除模板系统与传统模板系统在受力性能和安全可靠性方面的差异。文献[13]基于有限元程序对早拆连接模板系统进行了仿真分析，并通过实验验证了早拆模板系统的安全性。可靠性为类似结构的设计研究、应用和推广提供了一定的科学支撑。针对曲线高架桥与普通梁桥静力性能和动力性能的差异，吴双等人文献[14]基于通用有限元程序建立了曲线高架桥结构精细化有限元分析模型，并基于该模型对曲线高架桥运行过程进行了分析。对桥梁结构前期静动力性能进行分析，通过实际测量对比分析和验证曲线高架桥与直线高架桥的动力特性。研究结果表明，该模型获得的曲线高架桥频率和振型可靠、有效。同时讨论了边界条件、荷载作用模式、桥跨、曲率半径、桥墩高度等因素，为曲线高架桥动力特性参数化分析提供设计参考。
随着有限元理论的不断成熟和计算机技术的广泛应用，涌现出许多优秀的有限元软件，其中常用的有SPA、ANSYS、ADINA、NASTRAN等。 ANSYS软件是美国ANSYS公司开发的大型通用有限元分析（FEA）软件。它是世界上发展最快的 CAE 软件。它可以进行结构、热、声音、流体和电磁场等学科的研究，并提供强大的参数化设计语言APDL。现在以矩形钢筋混凝土板为例。钢筋混凝土板的长度和宽度各为1m，厚度为0.1m。现在当向中心点施加-3mm的位移荷载时，观察钢筋混凝土板的应力、变形和裂缝。出现了一种情况。为了了解钢筋混凝土在外荷载作用下的力学、变形和抗裂性能，本文基于ANSYS大型有限元程序软件对钢筋混凝土板进行模拟分析。现将结构计算模型的简化有限元模型建立起来的静力行为、动力行为及其解后处理的仿真分析，为类似结构的力学性能的设计、施工和运行维护提供仿真分析参考。
1 钢筋混凝土板有限元模拟静力分析 1.1 钢筋混凝土板基本概述
钢筋混凝土板截面为矩形，长、宽各1 m，厚0.1 m。对中心位移施加-0.002 m的位移载荷。混凝土弹性模量为2.4×106 Pa，泊松比为0.2，单轴抗拉强度ft为3.112 5×106 Pa，张开传递系数为0.35，裂缝闭合传递系数为1，不考虑破碎。钢筋为双线性运动硬化材料，弹性模量为2×1011 Pa，泊松比为0.25，屈服应力为360×106 Pa，硬化斜率为20 000，沿长度配筋率为0.01和宽度。将钢筋按方向放置。
1.2 建立有限元模型
为了考虑钢筋混凝土板有限元模型计算的平滑收敛，模拟过程中不考虑混凝土的破碎，并在支撑处添加刚性垫片以避免支撑处应力集中。在钢筋混凝土有限元模型中，混凝土材料使用实体单位SOLID65。有限元程序中的 SOLID65 单位是默认单位。它是专为不同材料（例如岩石和混凝土）而设计的固体单元，其压缩性能远大于拉伸性能。本装置用于模拟梁板结构混凝土中的钢筋（剪力键、螺栓、型钢等），建立混凝土材料的压碎和拉裂现象。实体SOLID65单元是在SOLID45三维八节点单元的基础上，增加针对混凝土力学性能的设计参数而开发并应用的。对于混凝土材料，可以通过在有限元程序中选择非线性模型来考虑弹塑性变形、温度效应和时变效应。混凝土材料模型的破坏准则采用五参数破坏准则Willam & Wamke。混凝土板中开裂裂缝的剪切传递系数通常为参数 shr Cf-op；闭合裂纹的剪切传递系数，如shr Cf-op；拉伸强度 Un Ten St；有限元模拟分析时，采用混凝土单轴抗压强度作为Un-Comp St； Bi Comp St 强度的双轴压缩强度。有限元程序认为梁板混凝土在开裂、破碎前存在弹性应力-应变关系，在开裂、破碎后引入破坏准则WW。边界条件支撑垫也使用实体单元SOLID45。
根据有限元法程序、建模方法和通用有限元程序对结构进行后处理分析，简化钢筋混凝土的力学模型。同时，基于有限元分析程序简化计算模型建立几何模型，如图1所示。基于几何模型进行有限元离散化，并确定单元、材料本构模型、约束条件，并选择静态和动态分析设置来建立有限元程序分析模型。使用实体模型构建了结构的简化有限元模型。钢筋混凝土板的几何模型如图1所示。钢筋混凝土板分为1266个节点和689个实体单元。基于有限元分析程序的仿真模型如图2所示。
图1 钢筋混凝土板几何模型 下载原图
图2 下载钢筋混凝土板离散有限元实体模型原图
1.3 建模需要注意的问题
由于模拟分析过程中实体单元基于扩散裂纹模型，应力集中的存在通常会导致模拟分析过程中混凝土过早失效，存在实际结构应力状态与实际结构应力状态不同的情况。实际结构的那个。因此，根据几何模型选择单元和划分网格时，需要控制单元划分的大小，对于特殊形状不能过大或过小，对于长条形不能过小。当最小单元尺寸一般大于50mm时，往往可以有效避免仿真分析过程中出现问题。应力集中问题。另外，E·Hognestad本构模型中引入了混凝土材料的本构关系，并采用了该本构模型的下降截面，在计算下降截面时容易发散。因此，最好采用位移收敛控制来设定有限元模型分析的收敛条件。还建议在有限元程序中关闭混凝土破碎选项，即设置单轴抗压强度Un Comp St=-1，以增强混凝土板结构力学性能模拟分析的收敛性。
1.4 引入约束并施加载荷
基于上述有限元程序分析模拟及其受力特性，对混凝土板周边支撑边界条件施加边界条件，并在周边所有支撑垫面上设置固定支座。以钢筋混凝土板在外荷载作用下进行仿真分析。单元或节点获取相应荷载的变形、应力和混凝土裂缝发展情况，通过应力积分得到荷载开裂破坏的内容和极限荷载。
2 有限元模型静态行为仿真分析结果 2.1 仿真分析中的材料收敛准则
在仿真分析中通常有应变和位移控制。在模拟分析中，将E·Hognestad本构关系引入到钢筋混凝土板混凝土材料中。这种本构关系的下降部分在下降模拟分析过程中很容易发散。因此，本工程的收敛条件引入位移收敛控制，为了平滑收敛，关闭混凝土材料的压碎选项，即单轴抗压强度Un Comp St=-1，以增强钢筋的收敛。混凝土模拟分析，与钢筋混凝土板模拟分析收敛。
2.2 内力计算结果
在外部位移荷载的作用下，钢筋混凝土板发生变形。变形图如图3所示。从变形图中可以看出空间钢结构apdl参数化计算与分析，最大变形发生在中心节点处，变形值为2.831 cm。其他应力条件和裂纹如图 3 所示。
图3 钢筋混凝土板变形图 下载原图
(1) 第一主应力等值线分布。钢筋混凝土在外荷载作用下的应力状态包括第一、第二和第三应力状态，对应的第一主应力S1等值线分布主要选择节点[15]。
(2)钢筋混凝土板的裂缝分布。选择钢筋混凝土板的裂缝位置作为积分点空间钢结构apdl参数化计算与分析，选择所有裂缝。可以看到，裂纹从中心向四周延伸。
(3) 钢筋混凝土板中钢筋的平均应力分布如图4所示。
3 结论
本文以四面支撑的钢筋混凝土板为研究对象。根据板的结构特点和边界条件，采用通用有限元程序ANSYS建立几何模型。根据几何模型，选择单元及其材料本构关系，并将其分配给几何模型，进行几何建模。单位划分。基于赋值单元、材料特性和边界条件，利用有限元程序的静力分析功能，进行弹塑性全过程仿真分析。从仿真分析可以看出，现有有限元程序ANSYS进行静力行为分析时，需要合理选择单元、施加边界条件、科学的单网格单元划分、科学的荷载步长和收敛标准设置，并合理设置利用实体单元和材料相应的本构关系和强度破坏准则为类似结构的有限元程序模拟分析提供参考。
图4 钢筋平均应力分布 下载原图
参考
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