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原文地址：截面分析及XTRACT使用心得作者：雪山飞多
截面分析好久不曾使用，有些知识需要回忆和学习，本文主要用于记录相关知识及XTRACT的使用心得。为后续的SRC分析做好准备。 截面分析总结 很多教材介绍钢筋混凝土梁（适筋梁）受弯时，对整个过程进行了描述，给出上图所示截面弯矩-曲率曲线以及截面在各阶段的应力分布情况。上图中，不同的阶段及特征点都有明确的工程意义。Ⅰ阶段：混凝土未开裂弹性变形阶段，Ⅰa作为开裂计算的依据，对应为Mcr；Ⅱ阶段：混凝土带裂缝工作阶段，此阶段作为验算变形和裂缝的依据；Ⅱa为截面屈服点，对应为屈服弯矩My。对于梁端，此时可视为进入塑性铰状态；Ⅲ阶段：截面屈服阶段，Ⅲa为极限状态，对应为极限弯矩Mu，这也是正截面受弯承载力验算的依据，所有梁截面受弯设计均基于此点。上述曲线可以由试验得到，也可以用程序模拟分析得到。程序根据各种材料本构关系，基于平截面假定，对全截面进行全过程非线性分析，得到相关受力-变形关系。最简单的就是对钢筋混凝土梁用条带法进行分析，这也是混凝土非线性课程的基本作业。截面分析最核心的就是材料本构关系。混凝土因影响因素众多，很多学者大牛也给出了多种多样的本构模型。结合规范及记忆，截面分析时主要采用单轴受力本构关系。规范（混规2010）给出的单轴受压应力-应变曲线可以考虑箍筋约束作用、应变梯度等因素，通过对抗压强度代表值、峰值压应变、曲线形状参数适当修正而得到对应本构关系（详规范C.2.4条文说明）。规范正截面承载能力极限状态中的混凝土应力应变关系可以看做是该公式的具体使用实例。公式中使用的是混凝土抗压强度代表值，该值应该根据不同的分析内容及要求采用不同的混凝土强度（设计值、标准值、平均值）。我的心得之一：应该根据分析的目的和需求选用合理的抗压强度，而不要盲从于很多资料中千篇一律取标准值的做法。具体代表值的要求需查阅相关规范及资料，目前看到的有关规定有：混规第5章弹塑性分析建议取平均值，抗规性能分析时对代表值也做了规定。如果用截面分析验证截面受弯承载力设计值，则对应的混凝土及钢筋强度也应该取用设计值。具体本构可参考混规6.2相关规定取值，其极限弯矩以混凝土达极限压应变0.0033和钢筋极限拉应变0.01双控。 XTRACT使用心得XTRACT可以对任意截面进行全过程截面分析。工程中常用来分析各种截面（如异形柱、组合截面等）的非线性特征点及承载力校核。 xtract主要思路也是根据各种材料本构关系，基于平截面假定，用fiber划分截面进行全过程非线性分析。其混凝土本构关系采用mander模型（取值及来源可查阅UCfyber说明、 mander模型可参见范立础《桥梁延性抗震设计》146页~149页Mander模型等），一般分为非约束和约束两种，用于模拟非核心区及核心区混凝土。 本例主要通过xtract结果验证梁极限受弯承载力设计值，因此材料强度均取用设计值，本构取用规范6.2对应曲线（混凝土不考虑约束效应，钢筋本构按斜线加水平段），基本步骤如下： 1.新建项目project（1个项目下可以建多个截面模型section），定义截面名称、单位制，选择从模板、自定义、文件开始建模（本例从模板开始）； 2.设计模板定义：选择截面类型、箍筋形式、箍筋直径及间距（此处应该与后面的约束混凝土本构有关联，部分参数可由约束箍筋计算得到）； 3.几何尺寸定义：注意此处的cover用于核心混凝土边界的建立，可以取至箍筋内表面（即纵筋外侧）； 4.材料本构定义，外围混凝土、核心混凝土、纵筋：混凝土：程序分为外围及核心两种，此处均采用外围（选自定义开始），即不考虑约束效应的本构。若选择模板开始，核心区mander约束混凝土本构可自动根据外围混凝土本构计算约束混凝土强度及极限应变。28day compressive strength-输入混凝土抗压强度（根据ACI等取圆柱体抗压强度，中国与此接近的是轴心抗压强度，来源详ZengMing的博客http://blog.sina.com.cn/s/blog_5fedbc3c0101j2tv.html） tension strength-混凝土抗拉强度（一般不考虑，若考虑可以得到开裂折点，但貌似要取稍大一些才明显） yield strain-屈服应变（此处有默认值，具体参数来源待查，暂时按默认，对结果影响不大）、Crushing Strain-极限压应变（按规范取0.0033或稍大，也可按规范附录表C.2.4，对结果影响较小） Spalling Strain-剥落应变（可认为是保护层剥落时的应变，按默认）、Post Crushing Strength-后继碎裂应变（一般不考虑，默认为0） failure strain-破坏应变（该值主要控制程序分析何时终止，对无约束混凝土的截面，该值可设为0.004，如果用户分析的不仅仅是保护层的碎裂，还要进行约束混凝土的分析，则该值设为1）、Elastic modulus-混凝土弹性模量（此值按mander模型资料，为切线模量，代表混凝土曲线起点位置的切线，仅与强度相关，具体公式为5000*sqrt（fco），程序取用的为4733，这里按混凝土规范取） 钢筋：Bilnear steel model-不考虑强化阶段的双直线型模型Yield stress-钢筋的屈服强度（本例取设计值） Failure strain-钢筋的极限拉应变（按规范取为0.01）Elastic modulus-钢筋弹性模量（按规范取） Material Hardening-钢筋强化参数（即钢筋屈服后强化阶段的斜率，可不考虑，或默认0.01Es） 5.绘制截面（用于从自定义开始，其他方式直接跳过）： 绘制输入形状（中心点取0,0以便定位），import，discretize（离散，在此处设置截面材料，cover厚度，取值参上面），draw bars，generate bars（选取材料、直径、预应力、按间距生成、按数量生成），enter generation points by coordinates（输入起点终点bars坐标，点apply）。至此钢筋混凝土已绘制完毕。如果需输入型钢混凝土，则再绘制图形，选择I形截面（中心点同样取0,0，import后选取材料，截面类型选择no cover），型钢材料选取Q345，对应抗拉强度根据钢结构规范取为295。 6.分析定义（loading） ：（注x方向为水平向右，y为竖直向上，弯矩方向根据xy轴按右手法则判断） moment-curvature：定义名称，选择截面，初始荷载定义（均取0），增量荷载定义（Mxx），荷载方向（一定注意分清正负方向），是否计算转角（由塑性铰长度对曲率积分，塑性铰长度可查资料，一般取0.5~1.0h0）；P-M相关曲线：一半还是全部，荷载偏心方向（确定P-M中的M方向）； capacity orbit（双向压（拉）弯曲线）：曲线选项（选择极限应变或给定应变对应的曲线），轴向力； 7.执行分析： 8.结果显示：add graph，可以根据需要作图，多个截面可以绘制在一起，而且会在对应点位给出一系列相关变量值； show data，可以输出相关数据便于其他程序后处理。建模可采用网上崔济东博士插件，在CAD中绘制截面后导入XTRACT。其导出模型中材料均采用标准值，混凝土本构均采用考虑约束的mander模型（该模型只考虑yield、crushing应变），但崔博士插件生成的混凝土本构并未考虑约束对混凝土强度的提高，混凝土屈服应变取峰值应变，crushing应变取0.0033。
主要试算结果（梁截面500x1000，C30，HRB400，上筋4d25，下筋6d25，as=42.5，c=20） 1.承载力设计值对比结果： xtract分析结果极限值约为969kN*m（材料强度均取设计值），TSSD结果为970kN*m。
2.不同压力作用下截面延性比较mfi：N=0；mfi1：N=1000kN；mfi2：N=3000kN；mfi3：N=5000kN可见大偏压阶段，轴力起有利作用；小偏压阶段压力越大，延性越差。（注：当N=5000kN时，默认求解已不收敛，修改方法后勉强收敛。） 3.PM结果与弯矩曲率曲线的验证比较 可见因梁不对称配筋，纯弯时两个方向承载力不同，分别为-969kN*m，652kN*m。当N=3000时处于大小偏压分界处，此时M承载力最大，从上图mfi2
弯矩曲率可以验证。mfi1曲线Mu=1359kN*m ，mfi2
曲线Mu=1622kN*m；P-M曲线中最接近点相应值为（N=1093 kN、M=1386 kN*m）
，（N=3200kN、M=1683kN*m），可见两者是相当吻合的。 |
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