钢筋混凝土与素混凝土有限元模拟对比分析 Comparison and analysis of finite element simulation of
reinforced concrete and plain concrete
李君
Li Jun
（广西大学 土木建筑工程学院，广西 南宁 530004）
(College of Civil and Architectural Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China) 摘要：钢砼内钢筋与砼弹性模量相差很大，但钢筋用量少，截面积所占比例少，忽略钢筋进行计算，可以减少很多繁琐的计算。本文利用abaqus 进行模拟，计算钢筋砼与素砼在相同受荷条件下的应力和挠度，同时假定钢筋和砼均在弹性范围内。 Abstract: the steel in reinforced concrete and concrete elastic modulus vary widely, but the steel consumption, less proportion of sectional area, ignore reinforced calculation, can reduce a lot of tedious calculation. In this paper, using abaqus simulation, calculation of reinforced concrete and plain concrete in the same load conditions of the deflection and stress, at the same time assume that steel and concrete are within the elastic range. 通过摸拟计算如图的钢砼简支梁与不计钢筋的该梁，求出跨中应力和挠度及比值。为了避免出现梁局部受压破坏，在支座和集中力作用处设置0.2m*0.1m*0.05m的钢板，取材料特性如下：
231、混凝土：弹性模量E c =3e10N/m, 密度ρc =2400kg/m, μ=0. 2
32, 密度ρ=7800kg/m2、钢筋：弹性模量Es =2.1e11N/m, μ=0. 3 s
2, 密度3、垫块：弹性模量E =2.1e12N/mρ=7800kg/m3, μ=0. 3
一、建立模型
1、创建部件，选择进入部件模块
创建混凝土梁：点击创建部件图标，进入创建部件对话框，部件名称liang ，选择三维实体拉伸类型，大致尺寸取0.6，点击继续，进入二维绘图界面，绘制梁截面0.2m*0.3m，完成后输入梁长度2m ，所创建的梁部件如下图。
创建垫块：点击创建部件图标，进入创建部件对话框，部件名称dian ，选择三维实体拉伸类型，大致尺寸取0.2，点击继续，进入二维绘图界面，绘制垫块截面0.05m*0.1m，完成后输入垫块长度0.2m 。
创建受力筋：点击创建部件图标，进入创建部件对话框，部件名称shou ，选择三维线性拉伸类型，大致尺寸取2，点击继续，进入二维绘图界面，选择绘制线性工具，输入坐标(-0.975，0) 、(0.975，0) ，所创建的受力筋部件如下图。
创建架力筋：点击创建部件图标，进入创建部件对话框，部件名称jia ，选择三维线性拉伸类型，大致尺寸取2，点击继续，进入二维绘图界面，选择绘制线性工具，输入坐标(-0.975，0) 、(0.975，0) ，。
创建箍筋：点击创建部件图标，进入创建部件对话框，部件名称gu ，选择三维线性拉伸类型，大致尺寸取0.5，点击继续，进入二维绘图界面，选择绘制矩形工具，输入坐标(0，0) 、(0.14，0.24) ，所创建的箍筋部件如下图。
2、定义材料和截面属性
在菜单栏模块列表中选择特性模块，在此模块中定义砼、垫块和钢筋的本构关系和截面属性，并将截面属性赋予到相应的部件上。
1) 定义材料
定义砼本构关系：在对话框中输入材料名称hun ，常规特性选项下输入密度2400，力学特性选项下设定弹性模量3e10，泊松比0.2。
定义钢筋本构关系：在对话框中输入材料名称gang ，常规特性选项下输入密度7800，力学特性选项下设定弹性模量2.0e11，泊松比0.3。
2) 定义截面属性
定义砼梁截面属性：在对话框中输入截面名称liang ，种类设为实体均质，材料选择hun ，其它参数保特不变，点击完成。
定义垫块截面属性：在对话框中输入截面名称dian ，种类设为实体均质，材料选择dian ，其它参数保特不变，点击完成。
定义受力筋截面属性：在对话框中输入截面名称shou ，种类设为梁，类型选择桁架，其它参数不变，点击继续，在对话框中材料选择gang ，输入截面面积201e-6，点击确定。 利用同样的方法建立架立筋和箍筋截面，名称为jia 和gu 的截图属性，截面面积分别为113e-6和50.3e-6。
3) 给部件赋予截面属性
在环保栏部件选项中选择liang ，点击左侧工具栏的截面赋予图标，选中liang 部件，在编辑截面赋予对话框中选中截面liang ，点击确定，部件变为青色。
利用同样的方法对垫块、受拉筋、架立筋和箍筋赋予相应的截面属性。
3、定义装配件
在环境栏模块列表中选择装配功能模块，点击工具栏的创建实体图标，在对话框中选择liang 部件，实体类型设为独立，勾选自动偏离其他实体，生成梁部件的三维图。 利用同样的方法生成垫块、受力筋、架立筋和箍筋的三维图。
利用移动、旋转和阵列工具，形成砼梁、钢筋笼，利用合并工具将钢筋笼合并为一个实体part1，最后将其移至砼梁中，结果如下图。
4、定义分析步
在环境栏模块列表中选择分析步功能模块，点击创建分析步图标，在对话框中选择静力一般类型，分析步时间10秒，最大增量步数1000，初始增量步0.1，最小增量步0.0001，最大增量步10。
5、定义约束
在环境栏模块列表中选择相互作用功能模块来定义模型间的相互约束关系。点击工具区的定义相互作用图标，定义垫块与梁的绑定关系和钢筋笼与砼梁的內置区域关系。通过定义基准、参考点，然后定义集中力作用点的藕合关系。
6、定义荷载和边界条件
在环境栏模块列表中选择荷载功能模块，进行荷载和边界条件的定义。
定义边界条件：点击工具栏的定义边界条件图标，在对话框中选择位移和转角类型，选择支座垫块底面，设置U1、U2、UR2、UR3为0。
定义荷载 ：点击工具栏的定义荷载图标，在对话框中选择集中力类型，选择跨中垫块参考点，在CF2栏中输入-10000。
7、划分网络
在环境栏模块列表中选择划分网络功能模块。为使网络整齐，在划分网络前，对梁进行分区。
点击布置种子图标，在对话框中输入种子大致尺寸0.1，点击完成。点击划分网络图标，选择全部模型，点击完成，结果如图。
8、提交分析作业
在环境栏模块列表中选择作业功能模块，建立作业，提交。
在计算素混凝土时，将part1和钢筋笼的内置区域禁用，重新建立作业即可。
二、结果分析
钢筋混凝土梁计算结果：跨中最大挠度9.649e-5m, 跨中混凝土最大拉应力7.21e5N/m 2
钢筋混凝土梁挠度图
钢筋混凝土梁应力图
2
素混凝土梁计算结果：跨中最大挠度11.28e-5m, 跨中混凝土最大拉应力9.829e5N/m
两种情况对比：跨中挠度比9.649e-5/11.28e-5=0.8554，应力比7.21/9.829=0.7335。
三、结论
忽略钢筋对简支梁进行计算，跨中挠度比较接近，而跨中应力相差较大。
原因：由于钢筋截面积较小，对整个梁的截面刚度提升不大，故挠度变化不大；而因为钢筋存在，梁的受压高度发生改变，这时忽略钢筋计算应力是没有意义的。
参考文献
王玉镯, 傅传国. ABAQUS 结构工程分析及实例详解[M].北京：中国建筑工业出版社，
2010
[2] 王勖成 . 有限单元法[M]，北京，清华大学出版社，2003.7