关于钢筋混凝土深受弯构件受力分析

孙秀成

（中国轻工业长沙工程有限公司， 湖南 长沙 410007）

1 工程信息

1） PKPM 模型信息，荷载：8 支墩储液罐，储液罐荷载40000kN。

2） 材料信息，混凝土：C40；钢筋：HRB400。

2 Abaqus 有限元模型

1） 混凝土材料模型，为准确的模拟混凝土在受拉达到开裂应变后卸载和受压混凝土达到压碎状态后卸载的非线性行为，混凝土材料模型采用塑性损伤模型。混凝土的极限强度采用混凝土结构设计规范提供的C40 混凝土的强度标准值，fck=26.8MPa，ftk=2.39MPa。混凝土本构模型和损伤因子按照混凝土结构设计规范附录C 提供的的计算公式计算得到，具体计算结果如下表所示：

2） 钢筋，钢筋采用双折线弹塑性本构模型，弹性极限强度标准值fk=400MPa，塑性极限抗拉强度f=540MPa，对应的塑性应变为0.072。

3） Abaqus 有限元模型，混凝土采用三维实体单元C3D8 模拟，钢筋采用三维桁架单元T3D2 模拟。有限元模型如下图所示：

3 计算结果分析

本文以单跨且受荷载较大的横梁为主要分析对象，该梁截面为1000X3500，净跨12.0m，跨高比小于5.0，属于深受弯构件范围。钢筋以pkpm 计算结果为依据进行布置。

表1 混凝土受拉塑性损伤本构模型（Pa）

表2 混凝土受压塑性损伤本构模型（Pa）

钢筋单元a 网格

1） 钢筋应力状态分析，钢筋应力水平如下图所示，从图中可以看到该梁钢筋应力水平较高的区域出现跨中。跨中顶部钢筋应力最大值达到了340Mpa，已经接近屈服状态，跨中底部配筋最大应力276Mpa，钢筋应力尚处于弹性阶段。底部虽然配置了多排钢筋，但是，各排钢筋的应力最值比较接近，钢筋的强度利用较为充分。梁端的箍筋应力水平相对较高，最大值达到了276Mpa。

2） 混凝土应力水平分析

钢筋应力云图

混凝土应力云图

从上图中可以看到，受压区混凝土最大应力已达到约29MPa，混凝土已进入弹塑性阶段，由于该区域混凝土处于双向受压状态（双轴受压混凝土抗压强度是单轴抗压强度的1.16 倍），混凝土产生较小的塑性应变，混凝土尚未达到极限抗压强度，受压区混凝土未出现卸载现象。如下图所示：

受压区单元应力-应变曲线

受拉区混凝土应力均已达到抗拉强度2.39Mpa，表现为混凝土单元卸载，荷载转移到底部受拉钢筋。如下图所示：

受拉区单元应力-应变曲线

受剪区混凝土从云图中可以看出应力水平不高，通过输出单元的剪切应力应变曲线可知，该区域由于塑性应变较大，混凝土已超过极限强度，进入刚度退化卸载阶段，剩余的剪力由箍筋承担。受剪区单元的剪切应力应变如下图：

受剪区单元应力-应变曲线

3） 混凝土损伤分析，混凝土主应力云图如下图所示，从图中可知该梁应力较大的区域分布在梁顶和剪应力较大区域，荷载主要通过一拱形区域传递到两侧框柱，与梁底受拉钢筋协同形成典型的拉杆拱的传力模式。

主应力云图

受压损伤因子云图中可以看到跨中受压区仅局部区域混凝土的损伤因子达到0.3，对应较小的塑性应变，受压区混凝土未达到抗压极限强度。混凝土的受剪区域损伤因子已达到0.6，混凝土在剪压共同作用下刚度退化，荷载已转移到受剪钢筋。

受压损伤因子云图

受拉损伤因子如下图所示，靠近跨中区域混凝土损伤因子已达到0.9，混凝土抗拉刚度几乎完全退化，荷载几乎全部由底部钢筋承担。

受压损伤因子云图

4 结语

1） 储罐支撑梁配筋按照pkpm 的设计结果进行配筋可以满足构件承载力的需求。受拉区钢筋尚未达到屈服强度，混凝土受压区应力水平较高，发生较小的塑性应变，但未进入卸载阶段。设计具备一定的安全储备；2） 支撑梁传力模式为拉杆拱模式，荷载主要通过压剪区混凝土传递到两侧框架柱。该区域混凝土损伤程度较高，受剪钢筋应力较大，在结构设计中对该区域配筋应予以加强。