基于atena的钢筋混凝土无腹筋梁的非线性有限元分析

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1、基于ATENA的钢筋混凝土无腹筋梁的非线性有限元分析基于ATENA的钢筋混凝土无腹筋梁的非线性有限元分析，利用混凝土的材料本构模型来模拟裂缝的影响.裂缝模型分为定角裂缝模型和转角裂缝模型.ATENA通过设置定角裂缝系数来对上述两种模型进行选择，根据大量的数值模拟算例可知定角裂缝模型的计算结果更接近实际结果.因此，将定角裂缝模型系数设置为1.0.试验中，为了防止加载面及支座处发生局部受压破坏，在梁加载处和支座处设置钢垫板，以增加接触面积和刚度.因此，模拟梁也在加载处与支座处设置尺寸为304.8mm×100mm×20mm的钢垫板.另外，分

2、析没有考虑材料的随机性，忽略滚轴支座和铰支座导致的轴向变形的微小不对称，可采用对称12模型，即支座处约束竖向及梁宽方向位移，跨中截面约束梁长度方向的位移.为了便于收敛，模拟采用位移控制加载.混凝土单元类型为六面体单元，钢筋为杆单元，支座及加载点钢垫块为四面体单元.垫块与混凝土单元之间不考虑单元兼容.兼顾计算准确性和计算速度，单元尺寸取为0.05m.1.3Bresler-Sordelis试验梁模拟结果分析得到荷载挠度曲线和裂缝开展情况与试验结果的比较如图6和图7所示.从图6可以看出，荷载挠度曲线得到较好的模拟，破坏荷载的模拟误差仅为1.

3、25%.通过对图7的观察，发现裂缝开展和破坏形态也得到较好的模拟.应当指出，由于混凝土结构本质的随机性以及裂缝界面的复杂性，目前的有限元分析难以捕捉钢筋混凝土梁受剪破坏过程中的局部性能，但可以认为建立的有限元模型可以较精确地描述梁的受力过程，并以此为基础进行相应的应力分析.2Kani试验梁的有限元模拟1试验简介64年，Kani进行了11组（共133根）无腹筋梁受剪试验，试验采用对称两点加载方案，试验梁尺寸如图8所示，试验中所有梁的截面尺寸相同，两个加载点之间的距离相同，其余参数均根据试验组的控制变量进行变化.试验以混凝土强度f′，纵筋

4、配筋率ρ，剪跨比ad为变量，分别研究其中单一因素对无腹筋梁抗剪承载力的影响.11组试验梁的分组情况如表1所示：根据试验结果，Kani在三维坐标系下提出了“剪切破坏谷”的概念，如图9.“剪切破坏谷”直观地表现了剪切强度和弯曲强度分别控制的区域.从图中可以看出，纵筋配筋率较高时，谷较深且宽；随着纵筋配筋率降低，谷变浅，最后消失.“剪切破坏谷”的谷底位于剪跨比大约为5的位置，是剪压破坏和斜拉破坏的转换区间.通常也认为“剪切破坏谷”反映了无腹筋梁的抗剪机理随剪跨比的变化.2有限元模型材料模型与1.2节相同，模型梁截面尺寸以及荷载布置情况均按试

5、验实际情况设置.由于文献中仅给出混凝土抗压强度、钢筋屈服强度，其余材料参数均按照软件默认公式计算结果.按Kani试验实际情况，模拟梁加载处与支座处设置钢垫板，尺寸为154mm×100mm×20mm.根据试验梁对称性，建立12模型，支座与对称截面约束同Bresler-Sordelis梁.以132号梁（17.24-1.88）为例，模型图如图10所示.单元尺寸大小取为0.05m，加载方式采用位移控制.3有限元模拟结果与分析3.1有限元模拟结果与试验结果对比仍以132号梁为例，对比模拟分析与试验结果.根据文献，试验梁极限荷载为51.98kN，

6、而ATENA分析结果，模拟梁极限荷载为49.61kN（第30步），相对误差约为4.559%，在可接受的范围内.试验梁破坏时的裂缝分布与模拟梁的对比如图11所示.当荷载增加到几乎与破坏荷载相等时，最外侧的弯曲裂缝迅速连通相邻弯曲裂缝靠近梁顶的部分，并向集中荷载作用点延伸，很快形成临界斜裂缝，梁丧失承载力，发生剪切破坏.由于纵向钢筋拉应力的增大导致钢筋与混凝土之间的粘结应力增大，梁破坏时还出现了沿纵向钢筋的粘结裂缝与撕裂裂缝.另外，由于支座处梁顶受拉，还出现少许短小的裂缝.有限元分析准确地模拟出了试验梁的最后破坏形态.模拟梁计算过程因剪切

7、破坏而突然终止，破坏荷载与出现临界斜裂缝时的荷载相当接近，破坏具有明显的脆性，而根据Kani的试验记录，132号试验梁为Dsu（SuddenDiagonalFailure），即突然的斜截面破坏，与模拟结果相符.表2给出每一组试验梁的极限承载力模拟结果与试验结果比值的平均值以及标准差.图12给出133根梁的模拟结果与试验结果的对比.模拟结果的精确性再一次表明，ATENA有限元分析模型能够得到与试验基本相符的结果，建立的有限元模型能够准确地模拟Kani试验梁的破坏荷载.对于同一试验组相等剪跨比的梁，取最大值和最小值绘制包络线.对比试验与模

8、拟的剪切破坏谷，可见ATENA软件较为准确地模拟出了梁抗剪承载力随纵筋配筋率以及剪跨比的变化规律.3.2模拟梁名义极限剪应力分析模拟梁名义极限剪应力数值模拟结果随剪跨比和纵筋配筋率的变化如图14所示.纵坐标采用名义剪应力