鋼筋混凝土梁的案例
基于Abaqus的三種鋼筋混凝土梁數值模擬對比研究
混凝土結構抗壓強度高，而抗拉強度大約只有其十分之一，在受到豎向荷載（包括自重）作用下，梁下部會產生拉應力，上部產生壓應力，而由于其抗拉強度低，因此很小的荷載即可導致梁下部開裂，從而使其失去承載力。為了解決這個問題，通常在混凝土受拉區設置鋼筋，當混凝土受拉開裂后，鋼筋因其較高的抗拉強度仍然能夠繼續承擔拉力，而梁的受壓區也能夠繼續承擔壓力，二者協同工作，各司其職，使得鋼筋混凝土梁相較于素混凝土承載力得到明顯提高。
圖1(a) 素混凝土簡支梁示意圖
圖1 (b) 鋼筋混凝土簡支梁示意圖
就Abaqus而言，很多使用者對于鋼筋混凝土梁的數值模擬通常采用簡化模型：即將鋼筋通過線單元（Wire）建模，后將鋼筋嵌入（embed region）混凝土梁中，此方法確實可以節省不少工作量，而且在一定范圍內結果也較為精確；第二種方法即是將鋼筋通過實體單元建模，此方法相對于第一種而言，更為符合實際情況。然而，鋼筋和混凝土之間的耦合并不是簡單的合并，多位學者專門通過拔拉試驗研究鋼筋和混凝土之間的粘結滑移，通過設置二者交界面處的牽引分離本構模型更好地模擬鋼筋混凝土梁內部的實際受力狀態。下面針對以上三種模型進行建模，并進行對比分析。
【模型信息】矩形梁截面尺寸b×h=300mm×400mm，混凝土梁長2m，計算長度1.9m，混凝土強度等級為C50。縱向受拉鋼筋采用HPB300，鋼筋布置為6&12，保護層厚度為25mm。采用四點加載，剪跨比為2，加載由位移控制，位移大小設置為20mm。
圖2混凝土梁有限元模型
根據上述提到的三種模型，簡化模型和實體模型情況如下圖所示。
展開 鋼筋混凝土_梁的彎矩曲率
根據材料力學的知識，一根承受豎向荷載的梁，它的彎曲曲率的數學意義等于豎向位移的二階微分，而曲率的物理意義是彎曲形狀的半徑的倒數。同樣，彎矩除以EI，就等于曲率。對于我們在入門的材料力學里遇到的問題來說，EI 一般都是常數，所以彎矩和曲率之間是一條簡單的直線。而對于鋼筋混凝土梁，EI 就不再是常數了，隨著混凝土的逐漸開裂、鋼筋的受拉屈服，鋼筋混凝土梁的 EI 也在逐漸變化。所以，鋼筋混凝土梁的彎矩-曲率圖不再是一條直線。最簡化的分析，我們取三個關鍵點，將彎矩-曲率圖看作是三條線段組成的折線。這三個關鍵點分別是：混凝土開裂、鋼筋受拉屈服、混凝土受壓破壞。
對于鋼筋混凝土梁截面的受彎分析，有兩條基本原則。第一條是「幾何協調」，也就是「平截面假定」。截面在受彎變形之后依然保持為平截面，換言之，應變與離中性軸的距離成正比，受拉區和受壓區的應變圖是兩個相似直角三角形。
第二條準則是「靜力平衡」，也就是受壓區的總壓力 C 要等于受拉區的總拉力 T，同時，拉力或者壓力乘以內力臂 jd 要與外荷載的彎矩平衡。
第一條準則處理的是純幾何問題，或者可以說是應變問題；第二條準則應對的則是純力學問題，或者可以說是應力問題。這兩者之間的關聯也就是我們下面要關注的應力-應變關系。
在鋼筋混凝土截面受力分析中，我們采用的鋼筋應力應變是這樣的，先是一條斜線，斜線的斜率為鋼筋的彈性模量，斜線到達屈服點之后，就變為一條水平直線。而混凝土的應力-應變關系就沒有這么簡單了，事實上它是一條曲線。在混凝土的壓應變達到極限壓應變的一半之前，我們可以近似的認為是一條斜線，斜率為混凝土的彈性模量。
對于鋼筋，實際的應力應變關系是左圖這樣的，但實際的混凝土構件中，由于不可能出現太大的變形，所以鋼筋不會出現很大的應變，因此，我們近似采用右邊的簡化關系。
展開 ANSYS鋼筋混凝土（一）整體式建模
01 ANSYS中的鋼筋混凝土
目前在ANSYS中模擬鋼筋混凝土主要有以下幾種方法：整體式建模、分離式建模（共節點）、分離式建模（考慮粘結滑移）、使用“Embed”方法（編寫弘文件）、使用REINF單元等。
以下是幾種鋼筋混凝土的模擬思路：
接下來一段時間內，筆者將通過多個帖子用實例逐個介紹ANSYS中以上模擬鋼筋混凝土的方法?？申P注筆者的技術鄰賬號和公眾號，及時學習！
02 整體式建模方法
整體式模型即將鋼筋混凝土結構中的鋼筋彌散到整個混凝土結構中（采用混凝土實體單元SOLID65中自帶的配筋率實常數設置）。
其優勢在于建模簡單快捷，計算收斂性較好，劣勢在于其計算結果粗略。特別對于結構構件較多，且混凝土結構配筋非最主要研究對象時，建議采用整體式建模方法模擬鋼筋混凝土構件。
定義了配筋率后的鋼筋混凝土梁
03 案例分析
如下圖所示的一根鋼筋混凝土梁，使用整體式建模方法模擬，著重展示配筋率實常數計算和賦值方法。
鋼筋混凝土梁尺寸簡圖
為簡化計算，建立鋼筋混凝土梁的1/2對稱模型，支座和加載頭建立鋼墊片，墊片與梁之間采用MPC算法粘結。
受壓區和受拉區縱筋配筋率需要分別定義，故用工作平面切割出受壓區和受拉區。
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今天來和大家聊聊 Abaqus 在鋼筋混凝土四點彎分析中的強大應用。
在結構工程領域，鋼筋混凝土的性能分析至關重要。而四點彎試驗是一種常見的用于評估鋼筋混凝土梁抗彎性能的方法。Abaqus 作為一款功能強大的有限元軟件，為我們提供了精確模擬鋼筋混凝土四點彎的有力工具。
一、為什么要用 Abaqus 進行鋼筋混凝土四點彎分析？
準確性高
Abaqus 可以準確地模擬鋼筋和混凝土之間的相互作用。通過定義合適的本構關系和接觸屬性，可以考慮鋼筋的彈塑性行為以及混凝土的開裂、壓碎等非線性特性。
能夠精確地捕捉到鋼筋混凝土在四點彎加載過程中的應力分布、變形情況以及破壞模式。
可視化強
在分析過程中，Abaqus 可以提供直觀的可視化結果。你可以清晰地看到鋼筋混凝土梁在不同加載階段的應力云圖、變形形狀以及裂縫的發展過程。這對于理解結構的行為和性能非常有幫助。
參數化分析方便
Abaqus 允許用戶進行參數化分析，通過改變鋼筋的直徑、間距、混凝土的強度等級等參數，可以快速評估不同設計方案的性能。這為結構工程師提供了一種高效的優化設計方法。
二、如何在 Abaqus 中進行鋼筋混凝土四點彎分析？
模型建立
首先，需要建立鋼筋混凝土梁的幾何模型?？梢允褂?Abaqus/CAE 中的建模工具，或者導入其他 CAD 軟件創建的模型。
然后，定義材料屬性。
展開 
鋼筋混凝土結構設計: 第四章(受彎構件斜截面承載力)
1.在豎向荷載作用下，鋼筋混凝土受彎構件截面上會同時產生剪力和彎矩，會發生沿受彎構件斜裂縫的斜截面受剪破壞或斜截面受彎破壞。保證受彎構件正截面受彎承載力的同時，還要保證其斜截面承載力，它包括受彎構件的斜截面抗剪承載力和斜截面抗彎承載力。
2. 鋼筋混凝土梁設置的箍筋和彎起鋼筋及斜鋼筋都起抗剪作用，統稱為梁的腹筋。僅設置縱向受力鋼筋而不設腹筋的梁稱為無腹筋梁。
3. 在梁的剪彎段中，當主拉應力超過混凝土的極限抗拉強度時，就會出現梁體斜向裂縫。斜裂縫出現后梁截面發生應力重分布.
4. 梁的剪跨比 m=M/Vh0. 式中M 和V分別為梁剪彎區段中某個豎直截面的彎矩和剪力，h0為截面有效高度。剪跨比m反映了截面上正應力σ和剪應力τ的相對比值，在一定程度上也反映了截面上彎矩與剪力的相對比值。對無腹筋梁的斜截面受剪破壞形態有決定性影響。
鋼筋混凝土受彎構件剪跨與深度比
不同規范剪跨比m取值范圍的比較
5. 無腹筋簡支梁斜截面的破壞形態: 斜拉破壞(m>3), 剪壓破壞(1≤m≤3), 斜壓破壞(m<1). 鋼筋混凝土梁的三種斜截面受剪破壞形態的抗剪承載力是不同的：斜壓破壞時最大，其次為剪壓破壞，斜拉破壞最小。在達到峰值荷載時，梁的跨中撓度都不大，破壞時抗剪承載力都會迅速下降，均屬結構受力脆性破壞類型。
6. 配置箍筋是提高鋼筋混凝土梁抗剪承載力的有效措施。彎起鋼筋或斜筋，與臨界斜裂縫相交后發揮其抗剪作用，可以提高梁的抗剪承載力。彎起鋼筋或斜筋不宜單獨使用，必須與箍筋聯合使用。v設置腹筋的鋼筋混凝土簡支梁斜截面剪切破壞形態仍為斜拉破壞、斜壓破壞和剪壓破壞。
7. 影響受彎構件斜截面抗剪承載力的主要因素: 剪跨比m; 混凝土抗壓強度fcu, 縱向受拉鋼筋配筋率; 配箍率和箍筋強度.
8.
展開 鋼筋混凝土梁—鋼筋-箍筋T3D2單元-基本建模實例
簡單介紹如下：
1、梁，截面尺寸：300mm*500mm，長度6m。混凝土保護層取20mm
2、混凝土：采用幫助文檔 abaqus verification manual 2.2.24提供的本構模型數據，強度應該在C20-C30之間。
3、鋼筋：
1）縱向受力筋：模型中代號Zongjin，梁上部配筋2根，梁下部3根直徑20，HRB335；
2）箍筋，直徑8@200。模型中代號Gujin
4、模型采用的單位制：國際單位制，m，s，kg，pa ，N
把模型的CAE文件、inp文件和ODB文件附在這里
鋼筋混凝土梁—CAE-INP-ODB文件.rar
模型一：
混凝土梁：實體solid單元，C3D8R，一次縮減積分實體單元。
鋼筋均采用T3D2 Truss單元。
模型一：
混凝土梁：實體solid單元，C3D8R，一次縮減積分實體單元。
鋼筋均采用T3D2 Truss單元。
展開 基于ABAQUS的鋼筋混凝土梁的剛度分析
圖1 鋼筋混凝土梁CAD模型
圖2 線框模型，中間為鋼筋模型
圖3-4 網格模型
圖5 施加載荷示意圖
圖6 位移云圖
ANSYS鋼筋混凝土（三）分離式建模（粘結滑移）
上次介紹了ANSYS中模擬鋼筋混凝土構件的分離式建模方法，鋼筋和混凝土之間的相互作用關系是共節點。而實際上，鋼筋與其附近的混凝土之間存在粘結-滑移的關系。
本文介紹下一種ANSYS中鋼筋混凝土模擬的一種進階方法——分離式建模（考慮粘結滑移）
粘結-滑移作用通過在重合的鋼筋和混凝土節點上添加非線性彈簧combin39來考慮。這意味著在建立幾何模型和劃分網格時，需要注意以下兩點：
① 混凝土梁體和鋼筋需要分別建模（而非在梁體上切割出鋼筋線體后賦值）。
② 混凝土梁體的節點位置需要和鋼筋節點位置相重合（或接近），這意味著劃分網格時，需要協調兩者的單元尺寸。
混凝土與鋼筋節點位置重合（或靠近）
對于鋼筋混凝土梁，一般來說只需對縱筋考慮粘結-滑移作用。因此對位置重合的鋼筋和混凝土節點，在梁截面的兩個方向只須耦合其自由度，在縱向（縱筋方向）添加非線性彈簧Combin39即可。
其中，非線性彈簧的F-X屬性即是鋼筋混凝土粘結滑移關系（注意要乘以單元長度）。這個粘結滑移關系有大量可供參考的規范和文獻，可按需取用。
02 案例分析
仍然是如下圖所示的一根鋼筋混凝土梁，使用考慮粘結滑移的分離式建模方法模擬，此次計算中不考慮箍筋的建模。
鋼筋混凝土梁尺寸簡圖
有限元模型示意圖如下：
鋼筋混凝土梁模型示意圖
核心的命令流是如何寫一個循環，自動地對重合的混凝土和鋼筋節點施加耦合作用和非線性彈簧單元：
!彈簧實常數定義
!定義的實際是F-X曲線上的關鍵點坐標（x，F）
!
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鋼筋模型類型
1.1 理想彈塑性模型
在Abaqus中，可以通過直接在塑性部分輸入屈服應力對應的屈服應變來定義理想彈塑性模型。例如，Q345B鋼材的屈服強度為345MPa，極限抗拉強度可以達到510-600MPa。在Abaqus中，可以取第一個點為(345,0)，第二個點可以設為(551,0.1)，使得兩個點之間的斜率為0.01Es（鋼材的彈性模量）。
1.2 雙折線模型
雙折線模型是鋼筋混凝土模擬中常用的一種簡化模型。在Abaqus中，鋼筋可以通過線單元（Wire）建模，然后將鋼筋嵌入（embed）混凝土梁中。這種方法簡潔高效，被大多數學者采納。然而，這種方法在模擬鋼筋和混凝土之間的粘結滑移時可能不夠精確。
1.3 三折線模型
三折線模型考慮了鋼筋的屈服階段，可以更準確地模擬鋼筋的滯回行為。在Abaqus中，可以通過用戶自定義的UMAT子程序來實現這種模型。例如，清華大學曲哲提出的改進的Clough鋼筋滯回本構模型，可以在反向再加載時，指向按卸載剛度加載至歷史最大點對應的應力的0.2倍，再指向歷史最大點，從而考慮鋼筋加載-卸載-反向加載過程產生的包辛格效應。
2. 鋼筋與混凝土的相互作用
2.1 粘結滑移關系
鋼筋和混凝土之間的粘結滑移關系是模擬鋼筋混凝土結構的關鍵。在Abaqus中，可以通過設置二者交界面處的牽引分離本構模型來模擬這種關系。例如，基于Abaqus的三種鋼筋混凝土梁數值模擬對比研究表明，將鋼筋通過實體單元建模，并在實體鋼筋和混凝土梁連接界面設置相應粘結本構，可以更真實地模擬鋼筋混凝土梁內部的實際受力狀態。
2.2 損傷塑性模型
Abaqus中的混凝土損傷塑性（CDP）模型能夠描述材料在循環加載和動態加載條件下的力學響應。
展開 ANSYS鋼筋混凝土（二）分離式建模（共節點）
01 分離式建模方法（共節點）
上次介紹了ANSYS中使用SOLID65中配筋率實常數來考慮鋼筋的“整體式建模方法”：
https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1794777
本文則介紹下一種ANSYS中鋼筋混凝土模擬的常用方法——分離式建模（共節點）
分離式建模即將鋼筋混凝土結構中的鋼筋網按照其主要幾何構造建模，并賦予其桿單元（LINK180等）屬性。又按照鋼筋網與混凝土的連接方法細分為“共節點”、“考慮粘結滑移”、“EMBEDDED方法”等。
鋼筋與混凝土共節點即鋼筋單元上的節點與其對應重合位置的混凝土節點本身為共節點，這種方法忽略了鋼筋與混凝土間的粘結滑移作用，但勝在相對簡便，且在大多數情況下考慮粘結滑移與否對結果的影響不大。
要使網格劃分時鋼筋節點與混凝土節點本身為共節點，那么就要求幾何上鋼筋線（Line）本身就是混凝土體（Volume）體內的線，這也是“共節點”的基本操作思路。下圖可以很好地幫助理解其原理：
02 案例分析
仍然是如下圖所示的一根鋼筋混凝土梁，使用共節點的分離式建模方法模擬，實例詳情可能與真實工程和試驗相比有不合理之處，只借此著重展示共節點的整體式建模操作方法。
鋼筋混凝土梁尺寸簡圖
有限元模型（取1/2對稱結構）示意圖如下，可見通過這種方法可詳細地考慮鋼筋籠的特征。
鋼筋混凝土梁模型示意圖
體現在實際操作中，核心的命令流是靈活使用工作平面變換（WP系列命令）、切割（VSBW）操作切割出鋼筋線，并用LATT命令對不同的鋼筋線進行賦值。
展開 基于ABAQUS的鋼筋混凝土結構的裂縫分析
1 鋼筋混凝土梁的試件尺寸及配筋圖
試件特征：根據試驗要求，試驗梁的混凝土強度等級為C30，混凝土保護層厚度為25mm。
適筋梁：①為 2φ18。梁的中間 400mm區段內無腹筋，其余區域配有 6@100 的箍筋，
以保證不發生斜截面破壞。梁的受壓區配有兩根架立筋，通過箍筋與受力筋綁扎在一起，形成骨架，保證受力鋼筋處在正確的位置。
2 基于實體單元模型的建立
根據原始構件尺寸及配筋圖通過創建鋼筋、混凝土實體以及將實體裝配等過程進行鋼筋混凝土梁的建立，并給鋼筋混凝土梁施加位移條件和邊界條件。
3 基于實體單元的模擬
3.1 單元類型選擇
ABAQUS 軟件中實體單元類型種類居多，功能多樣，應用廣泛。本文根據模型的受力特點，混凝土采用三維二節點實體縮減積分單元 (C3D8R) , 即滿足精度又可以減小計算量。鋼筋采用三維二節點桁架單元 (T3D2)
[1] 。
3.2 混凝土本構模型
本文在進行實體單元模擬時，混凝土本構模型選取混凝土塑性損傷(CDP)模型。根據我國《混凝土結構設計規范》(GB 50010—2002)給出的混凝土單軸受壓和受拉應力-應變曲線
方程進行計算。受壓應力-應變曲線如圖 3 所示，計算公式見式(1)—式(4)。
式中:αa、αd為混凝土單軸受壓應力-應變曲線上升段和下降段的參數值,按規范要求取
值；f *c 為混凝土單軸抗壓強度；εc 為與 f *c相對應的混凝土峰值壓應變。
混凝土單軸受拉應力-應變曲線如圖 4 所示,計算公式見式(4)—式(8)。
式中，αt為混凝土單軸受拉應力-應變曲線下降段的參數值,按規范要求取值;f *t 為混凝
土單軸抗拉強度；εt為與 f *t相對應的混凝土峰值拉應變[2]。
展開 
鋼筋混凝土梁四點彎曲本構比較
比較lsdyna中159號csc和272號rht模型，在鋼筋混凝土梁彎曲中的適用性。 兩種本構都可以通過合適的參數標定進行模擬，得到比較逼近的結果。細致的區別需要近一步研究。 本質上是連續損傷本構（粘塑性）和損傷塑性本構的比較。 計算k文件可以在咸魚收索：play（驀***士）
鋼筋混凝土梁三點彎曲模擬ANSYS/ls-dyna ￥5
對于鋼筋混凝土梁三點彎曲模型而言，整體模型較為簡便，可直接通過ls-prepost生成混凝土梁及鋼筋（分離式或共節點）。
主要技術參數是通過BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION_RIGID來控制鋼板的強制位移來使混凝土梁充分受力，同時也需要對支撐板與梁之間的接觸進行合理設置。
其他主要關鍵字如下：
*CONTROL_TERMINATION
*DATABASE_BINARY_D3PLOT
*DATABASE_FORMAT
*DATABASE_EXTENT_BINARY
*BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION_RIGID
*CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE
*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE
鋼筋受力云圖如下所示：
展開 案例54-鋼筋混凝土接縫分析
這個示例問題演示了如何使用梯度增強耦合損傷塑性微平面模型來模擬鋼筋混凝土梁-柱接縫。
重點介紹了以下特性和功能：
• 耦合損傷塑性微平面模型。
• 通過隱式梯度法穩定解。
• 耦合孔隙壓力熱機械（CPT）固體單元技術。
• 離散增強單元技術
介紹
鋼筋混凝土（RC）梁-柱連接對框架RC結構的整體性能至關重要。在地震載荷下，接縫區域的加固不足是導致脆性破壞的主要原因。為了理解和檢驗混凝土和鋼筋對接縫性能的影響，接縫破壞模擬是必要的。
建模損傷和軟化通常會導致數值不穩定性、收斂失敗和病理網格敏感性。這里給出的模擬通過使用非局部隱式梯度正則化的材料來解決這些問題。
問題描述
下圖顯示了鋼筋混凝土外梁-柱接縫的幾何細節和鋼筋布置：
Chalioris等人給出了實驗數據。
建模
三維模型由混凝土和加固單元類型組成：
• 混凝土使用耦合孔隙壓力熱-機械固體單元CPT215。通過關鍵選項（KEYOPT，ITYPE，18，2）激活與隱式梯度正則化相關的每個節點的兩個額外自由度。
• 通過離散增強單元REINF264（通過EREINF生成）模擬增強。
實心單元和加固單元在節點處連接，因此不考慮混凝土和鋼之間的特殊粘結相互作用。使用對稱性，僅對接縫的一半進行建模：
材料和接觸屬性
通過耦合損傷塑性微平面模型對混凝土進行建模：
參數輸入如下：
使用具有線性硬化的von Mises塑性（BISO材料模型）和以下參數對鋼筋進行建模：
邊界條件和加載
為了模擬所需的撓曲模式，必須使用與實驗中觀察到的旋轉類似的支撐。
展開 鋼筋混凝土結構設計: 第三章(受彎構件正截面承載力)
受彎構件的截面厚度: 行車道板不小于100mm；人行道板現澆混凝土板不小于80mm, 預制混凝土板不小于60mm; 空心板頂板和底板均不宜小于80mm。
2. 板分為單向板, 雙向板和懸臂板.
3. 單向板沿板短邊方向設置受力鋼筋，沿板長邊方向設置分布鋼筋；雙向板沿板兩個方向均設置受力鋼筋。
4. 分布鋼筋是在主鋼筋上按一定間距設置，起連接作用的橫向鋼筋，屬于構造配置鋼筋。分布鋼筋的作用是使主鋼筋受力更均勻，同時也起著固定主鋼筋位置、分擔混凝土收縮和溫度應力的作用。
5. 縱向受拉鋼筋的作用是承受受拉區拉力或幫助受壓區混凝土承受壓力。
6. 混凝土保護層厚度是指構件截面上鋼筋至截面邊緣的混凝土厚度，其作用是保證鋼筋與混凝土有良好的粘結作用，同時保護鋼筋不直接受到大氣侵蝕。
7. 截面配筋率是指截面所配置的鋼筋截面面積與規定的混凝土正截面面積的比值(化為百分數表達)。
8. 彎起鋼筋與斜筋的作用是滿足斜截面抗剪要求，承受主拉應力，并增加鋼筋骨架穩定性。
9. 箍筋的作用是除幫助混凝土抗剪外，在構造上起著固定縱向受力鋼筋位置的作用并與縱向受力鋼筋、架立鋼筋等組成骨架。
10. 架立鋼筋的作用是固定箍筋與縱向受力鋼筋形成穩定的鋼筋骨架。
11. 塑性破壞(延性破壞)是指結構或構件在破壞前有明顯變形或其他征兆現象的破壞; 脆性破壞是指結構或構件在破壞前無明顯變形或其他征兆現象的破壞。
12. 對常用的熱軋鋼筋和普通強度混凝土，破壞形態主要受到截面縱向受拉鋼筋配筋率ρ 的影響。
13. 按照鋼筋混凝土受彎構件的配筋情況及相應發生破壞時的性質可得到正截面破壞的三種形態: 適筋梁破壞、超筋梁破壞和少筋梁破壞。
14. 超筋梁破壞特征: (1) 鋼筋混凝土梁截面受壓區混凝土先壓壞，而受拉鋼筋未屈服。
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