钢筋混凝土开洞梁受力分析

The Stress Analysis of the Beams with Large Openings of Reinforced Concrete

Yi Luping；Zhang Xuehua；Ma Sicong

（①Northeast Petroleum University Qinhuangdao Branch，Qinhuangdao 066004，China；

②China Construction First Bureau International Engineering Division，Beijing 100161，China）

摘要： 在高层建筑中采用开孔梁，使设备管道从梁腹中穿过，能显著降低建筑物层高，增大建筑物使用面积，可以有效地降低建筑物的造价和使用维修费用，具有良好的综合经济效益。与现在常用的结构形式相比，钢筋混凝土开孔梁具有受力性能好，材料用量省和工程造价低等特点，在工程实践中有广阔的应用前景。

Abstract: It uses beams with large openings in high-rise building, so that equipmentpipeline can traverse the beam abdomen, significantly reduce the building height and increase the using area of the building, and effectively reduce the cost, use and maintenance costs of buildings, which has a good comprehensive cost-effective. Compared with the structure now used, RC beams with large openings have good mechanical properties, save materials and lower construction cost, so they have a broad application prospects in engineering practice.

关键词： 钢筋混凝土 开孔梁 受力性能 有限元分析

Key words: reinforced concrete；the beams with large openings；mechanical properties；finite element analysis

中图分类号：TU37文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）20-0079-02

1研究目的和意义

随着我国建筑业的发展和固定资产投资规模的扩大，在工程中对混凝土结构的使用越来越多，特别是在混凝土梁上开洞越来越多，这就要求对开洞梁上洞口受力性能研究显得非常重要。由于城市人口日益膨胀、用地紧张及商业竞争日趋激烈，高层甚至超高层建筑商住楼越来越多。建筑物的层高是由结构高度、设备管道（包括通风管，空调、消防、给排水管道等）高度和楼层净高及面层、吊顶板等附属高度组成。楼层净高和管道预留空间由于受建筑要求和设备的限制往往不能改变。为了降低层高，目前多是采用改变结构形式的方法，其中普遍采用的结构形式有密肋楼盖、宽扁梁、无梁楼盖等。密肋楼盖是将主梁布置于短跨方向而次梁密布于长跨方向，从而减小主梁的高度，达到降低层高的目的，但这种方法降低层高的幅度有限。采用无梁楼盖降低层高的效果较为显著，但这种结构形式要求板厚较大，钢筋和混凝土用量多，且存在着板的抗冲切问题。采用宽扁梁来降低层高其效果介于密肋楼盖和无梁楼盖之间，但这种方法材料用量也较多，受力性能较差，挠度大，在节点处往往梁宽大于柱宽，给设计和施工带来许多问题。而采用钢筋混凝土开孔梁使部分或全部管道从梁腹孔洞中穿过，可以使结构高度和管道高度二者合二为一，这样既可以大幅度地降低层高，又不影响合理结构形式的采用，是一种一举两得的方法。综合各种因素加以比较，采用开孔梁，材料用量省，工程造价低，受力性能较好，挠度增加少，层高降低显著。因此，这种结构形式在工程实际中有着广阔的应用前景。

2常用有限元软件简介

随着现代科学技术的发展，人们正在不断建造更为快速的交通工具、更大规模的建筑物、更大跨度的桥梁、更大功率的发电机组和更为精密的机械设备。这一切都要求工程师在设计阶段就能精确地预测出产品和工程的技术性能，需要对结构的静、动力强度以及温度场、流场、电磁场和渗流等技术参数进行分析计算。ABAQUS是一套先进的通用有限元系统，也是功能最强的有限元软件之一，可以分析复杂的固体力学和结构力学系统。它有两个主要分析模块：ABAQUS/Standard提供了通用的分析能力，如应力和变形、热交换、质量传递等；ABAQUS/Explicit应用对时间进行显示积分求解，为处理复杂接触问题提供了有力的工具，适合于分析短暂、瞬时的动态事件，但对爆炸与冲击过程的模拟相对不如DYTRAN和LS-DYNA3D。本文选用ABAQUS有限元软件对开孔梁进行分析。

3开孔梁有限元模型的建立：此分析中，应力单位为Pa，力的单位为N，长度单位m

对于钢筋混凝土梁的分析，有限元方法的应用基本相同，所以本文力求简单易懂，以矩形截面钢筋混凝土简支梁为例，并在其上下配有受压钢筋、受拉主筋、箍筋。钢筋混凝土所受的载荷及截面尺寸和受压、受拉钢筋及箍筋的组合截面示意图如图1和图2所示[1]。

进行有限元分析，首先要建立有限元分析模型。在Pro/E软件中分别建立箍筋模型、受压钢筋模型、受拉钢筋模型、几何面模型及开圆孔后的三维图。

4材料性能和加载方式

钢筋和混凝土的材料性能如表1和表2所示。

钢筋为双线性随动硬化材料。外部载荷P=200kN。

表1和表2所示的数值需要在ABAQUS有限元软件的定义实常数中进行定义。在有限元软件ABAQUS中，对钢筋混凝土梁的三分点处施加集中荷载，载荷大小为200Pa。

5钢筋混凝土梁开矩形孔时，孔洞尺寸及位置对其受力性能的影响分析

钢筋混凝土梁开方孔模型，设计时整体结构与开圆孔时的模型相同，只是孔的位置和形状发生变化。分别建立7种模型。三维模型见图4。①方孔位于梁中部，尺寸分别为150×150、100×100、50×50方孔。②方孔位于距梁左端400mm、600mm、800mm、1000mm处，尺寸为150×150。通过有限元分析比较，得到同位置不同孔尺寸的影响。分析时，通过三个参数来表述孔的影响力，分别为应力S，位移U及应变E。采取在钢筋混凝土梁中部及在距梁左端400mm、600mm、800mm、1000mm处，开设尺寸为150×150的方孔，通过有限元分析比较，得到不同位不同位置同孔尺寸的影响。分析时，通过三个参数来表述孔的影响力，分别为应力S，位移U及应变E。与中间开设相同尺寸的方形孔相比，各节点挠度均大幅下降，变化曲线的形状基本相同，且都在孔口处有突变。随着孔洞位置向跨中移动，开孔梁的极限承载力有所提高，这是因为当孔洞离支座较近时，孔洞左侧会产生较多腹剪斜裂缝，且孔洞离加载点较远，孔洞的左上方的弯拉裂缝较大，从而导致开孔梁极限承载力的下降。

6钢筋混凝土梁开圆孔时，孔洞尺寸及位置对其受力性能的影响分析

为研究钢筋混凝土梁开设圆孔的受力性能，本文设定钢筋混凝土开设圆孔的大小及位置均不同，分别建立7种不同的开设圆孔梁模型。①圆孔位于在梁中部，孔洞直径为?准150、100、50，三维模型见图3。②圆孔中心位于距梁左端400mm、600mm、800mm、1000mm处，直径为150针对开设圆孔的钢筋混凝土梁的七种模型分别进行分析，其计算过程分别为施加边界条件、施加载荷及划分网格。分析时，通过三个参数来表述孔的影响力，分别为应力S，位移U及应变E。计算结果显示：梁中部开设直径为150的圆孔时，在孔口上下及加载力的部位应力最大，由孔开始，沿轴向向梁的两端应力逐渐减小，梁的两固定端应力较小。梁中部开设直径为100的圆孔时，应力最大处主要集中在受力点处。且孔沿梁轴向方向的应力较小。

此时，较孔直径为150时，孔周围的应力变小。孔尺寸开的小，洞口处应力相应下降。开设直径为150的圆孔，通过有限元分析比较，得到不同位置同孔尺寸的影响。分析时，通过三个参数来表述孔的影响力，分别为应力S，位移U及应变E。应力主要集中在载荷施加点处。孔周围应力较载荷施加点处小，且越接近载荷施加点，载荷越大。由以上分析可以总结出，钢筋混凝土梁开圆孔时，圆孔的直径及位置对开孔梁的受力性能有重要影响。随着孔径的增大，开孔梁的承载力、截面刚度有明显下降；表现在同一荷载下，孔径越大，孔周围的应力越大，开孔梁的最大挠度值增大，梁的最大及最小应变也有所增加。当孔径相同但开孔位置不同时，孔口承受的应力增加，最大挠度值增加，孔口应变下降。为提高梁的承载力及截面刚度，应该根据具体的梁的尺寸、特性及所施加的边界条件、载荷等因素综合考虑，利用以上结论找到最佳开孔的尺寸及位置。上述应力分析只针对此情况下的具体分析，所施加的载荷也是某一情况下所受的载荷。因此，分析可以作为参考，但具体数值不适合其他情况。

7结论

本文以钢筋混凝土梁开设圆孔及方孔模型为分析研究对象，分别通过7种模型进行有限元分析，得到孔位置及尺寸对孔口应力，各节点挠度和应变的影响。对下一步进行试验研究提供了理论依据，也为如何提高梁的承载力提供了理论依据。具体结论如下：①钢筋混凝土梁开圆孔时，圆孔的直径及位置对开孔梁的承载力和刚度有重要影响。随着孔径的增大，开孔梁的承载力、截面刚度有明显下降；表现在同一荷载下，孔径越大，孔周围的应力越大，开孔梁的最大挠度值增大，梁的最大及最小应变也有所增加。当孔径相同但开孔位置不同时，孔口承受的应力增加，最大挠度值增加，孔口应变下降。②孔洞长度和孔洞高度对开孔梁的极限承载力和刚度有重要影响。随着孔长的增大，开孔梁的极限承载力、截面刚度有明显下降；表现在同一荷载下，开孔梁的最大挠度值增大。孔洞竖向位置对开孔梁的应力及应变影响并不明显。孔洞水平位置从支座附近向跨中移动，开孔梁的极限承载力有所提高。

参考文献：

[1]李围主编.ANSYS土木工程应用实例（第二版）北京：中国水利水电出版社，2007.

[2]王敏.开矩形孔钢筋混凝土简支梁在集中荷载下的受力性能研究[D].福州福州大学，2000.

[3]王命平，刘晓春.开洞短梁的传力模型及抗剪强度计算[M].天津大学出版社，1998.

[4]开洞深梁专题组，钢筋砼开洞梁试验研究[J].中国建筑工业出版社1994.