具裂纹预应力混凝土梁的有限元分析

论文摘要

钢筋混凝土非线性有限元分析是结构分析的重要研究方向，它能够比较准确的分析工程中许多大型复杂结构的受力性能，能够描述裂缝的形成和发展，以及结构的破坏过程及其形态，能够对结构的极限承载能力和可靠度做出评估，能够揭示出结构的薄弱部位和环节，以利于优化结构设计。对实际工程的分析、设计及施工具有重要的指导意义。本文基于工程有限元软件ansys建立了三维钢筋混凝土非线性有限元模型，对分析中所设计到的本构关系、有限元建模、裂缝模型等进行了较全面的研究，对不同载荷作用下和预应力作用下的钢筋混凝土箱梁的应力位移和裂缝做了全面的研究。通过不同情形的对比研究和不同参数情形下的计算，得到了些有意义的结论。论文的主要研究工作如下：第一章中通过查阅大量文献，并结合工程实际，回顾和讨论了钢筋混凝土结构的开裂研究。首先讨论了混凝土梁的广泛应用，然后分析了混凝土结构的损伤以及混凝土梁裂纹产生的原因，由此讨论了混凝土梁裂纹的控制与处理方法以及裂纹的控制和处理，最后总结了混凝土裂纹的研究现状与进展。第二章首先介绍了材料的有限单元法；然后就结构模型中的几个重要问题进行了介绍和对比，从而确定本论文所需采取的模型，即：材料本构关系模型和破坏准则。介绍了钢筋混凝土结构有限元分析中一般的本构关系模型以及常用的破坏准则，并通过对比各种不同的非线性材料模型，分析其各自适用的情形和以及模型的优劣，从而确定本论文中混凝土的本构关系采用非线性弹性全量式本构关系Ottosen模型；最后介绍了本论文拟采用的钢筋本构模型和材料模型。第三章中主要进行了有限元分析模型与单元选择的介绍和数值算例的计算。在对钢筋混凝土结构进行有限元分析时，考虑到其是由两种不同性质材料所组成，必须选择合适的有限元模型才可以计算研究，本章提出了用带钢筋薄膜的八节点六面体单元来求解钢筋混凝土梁，并推导了其刚度矩阵。第四章中采用整体式的钢筋混凝土建模方法，利用弥散性的裂纹分析手段，基于工程商业有限元软件ANSYS建立了钢筋混凝土箱梁模型，并通过不同的加载参数，分析了钢筋混凝土在外加载作用下的应力和位移水平，分析了其开裂和压碎裂纹形式。第五章中主要进行了对钢筋混凝土施加温度预应力后结构的非线性有限元模拟。无论是在施工期还是在运行期，混凝土建筑物受外界温度条件的影响是很大的。由于混凝土弹性模量随着龄期而变化，以及混凝土结构温度分布的不均匀性和复杂性，导致混凝土结构中温度效应(主要有温度应力和温度变形)的产生。本章主要通过施加钢筋预应力和混凝土预应力，分析了预应力钢筋混凝土结构在外载荷作用下的应力和位移图以及结构的开裂程度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 相关领域的研究现状
• 1.2.1 混凝土梁的应用
• 1.2.2 混凝土结构的损伤
• 1.2.3 混凝土梁裂纹产生的原因
• 1.2.4 混凝土梁裂纹的控制与处理
• 1.2.5 混凝土裂纹的研究现状与进展
• 1.3 本文主要研究内容
• 第2章 钢筋、混凝土非线性分析的基本原理
• 2.1 材料非线性有限单元法
• 2.2 混凝土的本构关系模型
• 2.2.1 模型简介
• 2.2.2 混凝土本构模型的比较
• 2.2.3 混凝土的三维非线性弹性本构关系
• 2.3 混凝土破坏准则
• 2.3.1 混凝土破坏面的特征
• 2.3.2 三轴受力下的混凝土强度准则一多参数强度准则
• 2.3.3 五参数混凝土强度准则模型
• 2.3.4 混凝土破坏准则的比较
• 2.4 钢筋的本构关系模型
• 2.5 本章小结
• 第3章 有限元分析模型与单元选择
• 3.1 有限元模型的选择
• 3.1.1 分离式模型
• 3.1.2 整体式模型
• 3.1.3 组合式模型
• 3.2 高斯积分
• 3.3 本章小结
• 第4章 混凝土梁的裂缝有限元模拟
• 4.1 引言
• 4.2 混凝土裂缝的模拟
• 4.3 混凝土裂缝的数值算例
• 4.3.1 创建 ANSYS 分析模型
• 4.3.2 材料属性的确定
• 4.3.3 边界和约束
• 4.3.4 数值结果与讨论
• 4.4 本章小结
• 第5章 预应力混凝土梁的温度应力分析
• 5.1 混凝土结构温度场及温度应力理论
• 5.1.1 温度分布的影响因素及温度效应
• 5.1.2 温度场计算基本原理
• 5.2 预应力混凝土梁的温度非线性有限元仿真分析
• 5.2.1 考虑钢筋预应力的有限元模拟
• 5.2.2 考虑混凝土预应力的有限元模拟
• 5.3 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文