混凝土结构弯矩数值模拟软件AlfaMCV开发与分析及断裂行为预测

H软件X 11（2020）100444原始软件出版物钢筋混凝土截面数值模拟软件AlfaMCV的开发Ana Waldila de Queiroz Ramiro Reisa，a，b，Rodrigo Bird Burgosa，c，Adrithda Silva Magalhesa，b巴西里约热内卢州立大学土木工程研究生课程b巴西里约热内卢州立大学土木建筑和运输系c巴西里约热内卢州立大学结构与地基系ar t i cl e i nf o文章历史记录：收到2019年2020年3月3日接受保留字：弯矩数学模型钢筋混凝土梁a b st ra ct在钢筋混凝土结构的设计中，通常的程序是根据巴西标准纳入安全系数，以使结构能够承受超过预测的荷载由于混凝土的抗压性大于抗拉性，因此此类结构的设计忽略了混凝土在拉力方面的贡献。在这种方式中，本工作的目的是分析的贡献时，提交给弯矩的混凝土的拉伸区域。最后，基于此数学模型，开发了一个软件，梁的行为（应变、曲率和挠度），根据抵抗弯矩的应用，直到断裂。©2020作者由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）中找到。代码元数据当前代码版本1.1此代码版本使用的代码/存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX_2018_175法律代码许可证BR5120160014342使用的代码版本控制系统无使用Visual Basic的软件代码语言、工具和服务编译要求、操作环境依赖性Microsoft Windows.NET框架4.5如果有开发人员文档/手册链接问题支持电子邮件anawaldila@hotmail.comrburgos@eng.uerj.brmargareth. uerj.br1. 运动和意义在钢筋混凝土结构的典型设计中，混凝土中的拉应力被认为是零，因为与压应力相比，它们对应于一小部分。这些应力根据与一条线的距离而变化，这条线称为中性轴，沿中性轴的应力实际上为零。中性轴高度的这种变化是由于施加了一个阻力矩，当弹性体的应变*通讯作者。电子邮件地址：rburgos@eng.uerj.br（A.W.Q.R.Reis），rburgos@eng.uerj.br（R.B.布尔戈斯），margarethsm@yahoo.com.br（M.S.Magalheses）。https://doi.org/10.1016/j.softx.2020.100444混凝土在弯曲和压缩组合下达到3.5（Pfeil [1]; Reis [2]; Reis etal.[3]）。如Viet等人[4]所述，需要进行分析研究来预测梁的行为。Bazant [5，6]对受拉区域进行的分析考虑了经典的应力变化模型，该模型由双线性图表示，其中拉伸应力增加，直到达到最大拉伸强度ftk，然后呈现线性下降，直到达到最大应变和零应力。在这种线性下降中，截面经历裂纹扩展的过程，从最大张力纤维到最小张力纤维。随着裂缝的扩展，混凝土中的拉应力2352-7110/©2020作者。 由Elsevier B.V.出版。这是一篇开放获取的文章，使用CC BY许可证（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softx2A.W.Q.R. Reis，R.B.布尔戈斯和多发性硬化Magalhans/SoftwareX 11（2020）100444图4.1. （ a）钢筋混凝土截面;（b）应变分布;（c）应力分布（Reis等人，[3]）。变为零，并且该部分通过压缩混凝土的压碎或通过牵引钢的断裂而随着土木工程结构的进步，开发用于分析呈现非线性行为的梁的软件的需求变得明显（Dhakal等人，[7]）。为了对结构中混凝土受拉部分进行模拟，有必要根据断裂力学理论对裂缝在此基础上，Reis [2]开发了AlfaMCV软件，其目标是根据用户输入的多功能性获得钢筋混凝土梁的性能。根据梁结构的几何形状、截面形状和材料特性（混凝土和钢），程序计算了结构的坡度，并根据混凝土拉伸断裂能模型，提供了一个分析模型的弯矩-曲率特性表在此外，压缩时的更准确地描述混凝土的行为。如前所述，两个线性方程限定了拉伸时的2. 混凝土Bazant [5]和Vittorio [9]研究的模型对应于提交的矩形截面简支梁在跨度中间的一个点荷载，即一个可能的代表性实验室试验。因此，不考虑混凝土徐变和收缩引起的应变，因为它们需要较长的时间才能出现。代表性方程由Scanlon [10]计算，并在Reis等人中给出[3]的文件。3. 断裂力学混凝土的弹性模量Ec和Et之间的关系基于断裂力学理论，将混凝土视为非均质材料，其在截面中作用的应力具有不连续性，源于微裂纹引起的应变（Reis等人[3]; Bazant [5]; Bazant [6]; Bazant[11]）。值得一提的是，对于开裂过程的实际分析，除了假设系统由致密且均匀分布的混凝土组成之外，还可以将混凝土视为弹性和各向同性材料。结构系统中梁的加载过程涉及能量的产生这种能量的一部分表现为开裂，即，开裂阶段的分析，如Viet等人[12]所述。该能量称为断裂能，由Bazant [5]确定。图5.1. AlfaMCV主屏幕（Reis et al. [3]）。图5.2.几何数据屏幕（Reis et al. [3]）。这种能量与有效裂缝宽度wc、所用混凝土的抗拉强度（ftk）和应力-应变曲线的斜率Cf为了得到Ec与Et之间的明确关系，研究了切线斜率Cf与抗拉强度之间的关系。使用几个试验的数据，可以获得Cf和fck之间的关系（Bazant [5]; Bazant [6]; Bazant [11]）。==A.W.Q.R. Reis，R.B.布尔戈斯和多发性硬化 Magalhans/SoftwareX 11（2020）10044434. 平衡方程图第6.1条.弯矩与平衡梁的挠度示例（Reis et al.[3]）。6. 例如为了确定横截面的阻力矩，需要根据力和力矩进行平衡。如图4.1所示，参数k1和k3分别是压缩区和拉伸区的等效矩形此外，k2和k4分别是压缩和拉伸区域的合力质心（Bazant [5]）。对于一定的应变水平，k1，k2，k3和k4存在唯一的值，它们取决于混凝土的压应变和拉应变的值。对于每个参数，表达式由Reis等人获得。[3]的文件。5. AlfaMCV软件基于Reis等人[3]中提出的方程，开发了一个软件来模拟钢筋混凝土梁的行为，该梁具有矩形横截面，简支，点荷载集中在跨度的中间。该程序提出和开发的模型旨在模拟实验室中梁的真实实验测试AlfaMCV 软 件 简 单 而 通 用 ， 使 用 编 程 语 言 Visual Basic（2013）开发软件是葡萄牙语的图5.1.显示其主菜单。此窗口有4个按钮：在'' Cálculos ''（计算）按钮中需要一些信息作为输入，这些信息在Reis中提供等人[3]的文件。用户点击按钮“Calcular”后，如果所有标签都已填充，则会打开一个新窗口，其中包含有关梁的所有信息。在本例中，有两个选项卡控件。第一种是钢筋混凝土梁的弹性线性行为。第二个呈现了一个表与所有的陡峭对于钢筋混凝土的非线性行为，在梁的中间部分。 有八列：指数i、行为类型（线性或非线性）、中性轴、受压区混凝土应变、受压钢筋应变、受拉钢筋应变、跨中弯矩和跨中位移（Reis [2]）。此外，该程序还为用户提供了一个按钮最后，主菜单上的该软件AlfaMCV也可从以下链接下载，从里约热内卢州立大学：http：//www. labbas.eng.uerj.br/pgeciv/nova/index.php?菜单=下载。为了验证软件，根据巴西标准NBR 6118 [13]的建议，对钢筋混凝土梁进行了分析。其他示例在Reis et al.[3]的文件。在这种情况下，强化率为ω0的情况。178已使用阻力矩由NBR 6118 [13]求得，Mk三百六十度73 kN.m（Reis等人[3]）。在图6.1中，当接近极限载荷时，红色和蓝色曲线更接近。这是由于钢筋在受拉状态下的贡献较大然而，在加载的第一阶段，由于张拉混凝土的显著贡献，曲线偏移。对于射束偏转的测定，标准方程给出的结果为0.01402 cm，而程序提供的结果为0.012339 cm，差异为14.55%。这主要是由于NBR 6118 [13]未考虑钢提供的刚度。7. 结论本工作旨在介绍开发的软件AlfaMCV，该软件基于Saenz [8]提出的混凝土压缩模型和Bazant [5]提出的混凝土拉伸模型分析钢筋混凝土梁。根据图6.1中获得的结果，随着配筋率的增加，考虑受拉混凝土的曲线和仅考虑受压混凝土的曲线趋于接近。这种行为是合理的，因为在拉伸（小应变）下钢中的应力较低，而在压缩下混凝土中的应力较高。这样的要求导致裂纹的形成及其扩展的增加，从而提高中性线的高度。最后，受拉混凝土对梁弯矩增大过程中，即初裂时刻与破坏时刻之间的协同作用影响不大。因此，与忽略这种贡献的模型相比，考虑混凝土拉伸区域协作的模型的弯矩变得接近。关于挠度，在这项工作中提出的软件能够计算其变化，直到失败。然而，为了实际的目的，分析理论和程序发现的挠度进行了比较，两者都是最需要的截面的弹性情况。在所研究的所有情况下，截面的配筋率越高，软件得到的挠度与分析计算的挠度之间的差异越大。这是合理的，因为标准NBR 6118 [13]仅考虑梁截面的几何形状，而没有考虑钢在刚度中的贡献，而软件考虑了由各种不同的结构产生的弯矩。4A.W.Q.R. Reis，R.B.布尔戈斯和多发性硬化Magalhans/SoftwareX 11（2020）100444结构的截面，这取决于截面的平衡，这直接取决于组成材料的特性。通过这种方式，除了混凝土沿曲线的拉伸和压缩的协同作用之外，更大的应力，例如更大面积的拉伸钢和压缩钢（如果使用），在梁中产生比标准预测的更小的挠度。竞合利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作致谢作者要感谢CAPES和FAPERJ（赠款E- 26/203.297/2016）以奖学金形式提供的支持。引用[1]Pfeil W. Concreto Armado Exclusionamento. Rio de Janeiro- RJ：Ed Ao LivroTécnico S.A.;1969.[2]Reis AWQR。Modelagem Numérica de Seçes de Concreto Armado. 里约热内卢- R J ： U n i v e r s i d a d e d o E s t a d o d o R i o d e Ja n e i r o ; 2 0 1 7 .[3]Reis AWQR ， Burgos RB ， Magalhées MS. Desenvolvimento de umEschermaComputacionalparaObtençãodeGráficosMomentovs.Curvatura e Mo- mento vs. Deflexão em Vigas de Concreto Armado. 59巴西混凝土大会; 2017年。ISSN 2175-8182。[4]越南NV，Zaki W，Umer R.功能梯度材料/形状记忆合金复合材料悬臂梁弯曲分析模型。Compos Struct2018;203：764-76.[5]巴赞特ZP，哦BH。渐进开裂钢筋混凝土梁的变形。ACI J1984;81（3）.[6]巴赞特ZP。混凝土和钢筋混凝土中的断裂。John Wiley&Sons Ltd;1985年。[7]Dhakal S，Moustafa MA. 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