本章研究了五个钢筋混凝土(RC)深梁试件的受力行为,利用 IDEA StatiCa 评估了其承载力和变形能力,并与通过 ACI 318-05(2005)和 ACI 318-19(2019)中拉压杆模型(STM)确定的设计承载力进行了比较,同时将结果与试验数据进行了对比。
选取其中一个深梁试件作为基准模型,通过 ABAQUS 软件(2023)进行进一步分析,包括计算并比较荷载-挠度关系、主应力分布及裂缝形态与试验观测结果(Huizinga, 2007)。此外,还对附加钢筋对深梁承载力的影响进行了详细研究。

图 2.45:IDEA StatiCa 与 ABAQUS 计算的混凝土主应力对比。
试验研究
为评估深梁的结构性能,对五个钢筋混凝土(RC)深梁试件(编号为 1A、1B、2A、3A 和 3B)进行了研究。这些试件由 Huizinga(2007)依据 ACI 318-05(2005)的拉压杆模型(STM)规定进行设计,并在德克萨斯大学奥斯汀分校 Ferguson 结构工程实验室完成制作与测试。所有试件的主筋配置保持一致,仅腹部钢筋存在差异。试件仅设计用于承受竖向荷载,忽略了潜在的水平拉力。试验装置相应简化,仅考虑竖向荷载,每个试件由两块承压板支承(图 2.7 和图 2.8)。其中,试件 1A 被选为基准模型,并使用 ABAQUS 软件进行了进一步分析。

图 2.7:深梁试验装置立面图(Huizinga, 2007)。

图 2.13:剪跨 1A:a)截面图,b)立面图(Huizinga, 2007)。
IDEA StatiCa 分析
采用 IDEA StatiCa Detail 中实现的 CSFM(协调应力场法)对第 2.3.2 节所述五个钢筋混凝土深梁的受力行为进行建模与模拟。建模时采用混凝土的实测或量测抗压强度,以及钢筋的屈服强度和极限强度(如 Huizinga, 2007 所述),对试件 1A、1B、2A、3A 和 3B 进行建模。
基准模型分析(试件 1A)
根据表 2.4 和表 2.5 中的实测材料性能,建立了基准试件的 IDEA StatiCa 模型。为利用试验数据验证和改进模型与模拟,IDEA StatiCa 中混凝土(ϕc)和钢筋(ϕs)的材料系数均设为 1.0。深梁自重和施加荷载是 IDEA StatiCa 分析中考虑的两种荷载类型。最大施加荷载在模型中以 100 个增量从零逐步增加至最大值,以获得深梁试件的荷载-挠度关系。
在施加荷载处引入了厚度为 4 in.(101.6 mm)的承压板,承压板尺寸依据 Huizinga(2007)表 2.4 中的数值确定。深梁左支座在水平(x)和竖向(z)方向均固定,模拟铰支座;右支座仅在竖向(z)方向固定,模拟滚动支座。两端均采用点式承压板支座,板的尺寸为 16 in. × 36 in.(406.4 mm × 914.4 mm),支座承压板厚度为 2 in.(50.8 mm)。自重和施加荷载两种荷载工况的荷载系数均取 1.0,IDEA StatiCa 分析采用承载能力极限状态(ULS)荷载组合。
IDEA StatiCa 的承载力计算过程为逐步增加施加荷载,直至满足以下任一条件:
- 混凝土在施加荷载下达到其承载力的 100%。
- 钢筋在施加荷载下达到其承载力的 100%。
- 锚固钢筋在施加荷载下达到其承载力的 100%。
当施加荷载为 1540 kips(6850 kN)时,混凝土承载比为 99.6%,钢筋承载比达到 100%,锚固钢筋承载比为 99.9%(图 2.35)。继续增加施加荷载将超过钢筋的承载力,因此 IDEA StatiCa 将此视为最大荷载。在 1540 kips(6850 kN)荷载作用下,深梁试件在荷载作用点处的挠度记录为 0.679 in.(17.25 mm)。图 2.35 给出了在最大施加荷载 1540 kips(6850 kN)下,利用 IDEA StatiCa 获得的深梁试件 1A 的详细结果。

图 2.35:深梁 1A 在 1540 kips(6850 kN)荷载下:a)IDEA StatiCa 结果,b)三维视图,c)应力流,d)混凝土主应力(σc),e)钢筋应力,f)钢筋应变,g)挠度云图。
ABAQUS 模型建立与分析
本节利用 ABAQUS 软件(2023)重建了第 2.4.1 节中建立的基准模型(即试件 1A),进行有限单元法(FE)分析,并将结果与 IDEA StatiCa 所得结果进行比较。模型中,除自重外,还在厚度为 4 in.(101.6 mm)的顶部承压板上施加了 1572.5 kips(6995.3 kN)的竖向荷载(以 50 kips 为增量),如图 2.40 所示。对试件 1A 施加了与试验和 IDEA StatiCa 模型相同的两个边界条件(即简支梁),详见图 2.40。在 ABAQUS 中,经常规网格敏感性分析后,单元尺寸选取为 0.5 in.(12.7 mm),模型共包含 89510 个单元。混凝土采用三维应力、8 节点线性六面体缩减积分单元(即 C3D8R),钢筋采用梁单元。

图 2.40:ABAQUS 模型设置,显示施加荷载和边界条件的位置及详情。
采用嵌入区域约束将钢筋嵌入深梁 A1 中(见图 2.41)。同时,在承压板(荷载板和支座板)与混凝土试件之间定义了通用面-面接触。ABAQUS 中采用混凝土损伤塑性(CDP)本构模型,所需参数由试验数据经标定后获得,因为 Huizinga(2007)文献中未明确给出。钢筋的材料行为采用简单双线性塑性模型。密度、弹性模量和泊松比等其他参数直接取自 IDEA StatiCa 材料库。数值模拟在配备 16 个处理器(Intel Xenon® Gold Processor 6430 @2.10GHz)的虚拟机上运行,耗时约 51 分钟,而 IDEA StatiCa Detail 完成计算仅需不到两分钟。
总结
利用 IDEA StatiCa 研究了五个钢筋混凝土(RC)深梁的受力行为,并依据 ACI 318-05 规定的拉压杆模型(STM)确定了其承载力。此外,还对深梁 1A 的 IDEA StatiCa 模型结果与等效 ABAQUS 模型结果进行了对比分析。各试件均通过 IDEA StatiCa 建模分析,以准确模拟其试验行为,随后将 IDEA StatiCa 确定的最大承载力及荷载-挠度关系与实测数据进行了比较。
图 2.48 比较了深梁试件的试验荷载、STM 计算荷载和 IDEA StatiCa 计算荷载。IDEA StatiCa 结果与试验结果高度吻合,在预测深梁性能方面优于 STM 等传统方法,能够提供近乎精确的预测。对所有试件(1A、1B、2A、3A 和 3B),IDEA StatiCa 与实测承载力(Pmax)的吻合程度始终更高。需要指出的是,STM 是为设计目的而开发的,预期给出偏保守的结果;而 IDEA StatiCa 则旨在捕捉深梁的最大实测响应。

图 2.48:深梁试件实测荷载、STM 计算荷载与 IDEA StatiCa 最大荷载的对比。
图 2.48 所示数据揭示了五个深梁的实测荷载与 IDEA StatiCa 中协调应力场法(CSFM)计算荷载之间的差异。例如,深梁 1A 的实测荷载与 CSFM 计算荷载之间的偏差约为 5%;深梁 1B 的偏差约为 11%;深梁 2A 的实测荷载与 CSFM 计算荷载之间的差异约为 9%。然而,该试验方案的主要目标是研究深梁的抗剪强度和正常使用性能,重点在于使每个剪跨发生剪切破坏。



