无黏结预应力混凝土开洞板的ANSYS分析.pdf

2 0 1 1年 第 4期 (总 第 2 5 8 期 ) Nu mb e r4i n 2 01 1 ( To t a l No 2 5 8) 混 凝 土 Co n c r e t e 混凝土制品 C0NCRE TE P RoDUCTS d o i ： 1 0 ． 3 9 6 9 ~ ． i s s n ． 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ． 2 0 1 1 ． 0 4 ． 0 3 1 无黏结预应力混凝土开洞板的 ANS Y S分析 金凌志 ，陈敏 ，曹霞 。万晓明 ( 桂林理 丁大学 土木与建筑工程学院 ，广西 桂林 5 4 1 0 0 4 ) 摘要 ： 由于无黏结预应 力技术的突出优点 ， 已经广泛地应用于高层建筑楼板 但随着建筑物使用功能要求 ff g ~INN _高 ， 楼板开洞无论 在新建筑工 程还是 已有建筑的改造工程 中越来越多见 ， 这些洞 L I 的存 在往往会改变楼板原米的力学性能 ， 并且洞 口的周围很容易出现应 力集中。 运用 A NS YS软件对后 张无黏结 预应 力混凝土开洞板试验模型在均布荷载作用下 的挠度 、 裂缝 、 极 限荷载等进行 了模拟 分析 ，并 根据洞口位置 的不 同， 对其进行受 力性能及破坏机理的研究 分析 ， 将模拟分析结果 与试验结果进 行比较 ， 表明 ANS YS能较好地模拟无黏 结预应力混凝土开洞板的受力全过程 ， 为这种结构在实际工程 中的应用和推广提供理论依据 。 关键 词： 无黏结预应力 ；开洞板 ；受 力性能 ；ANS YS ；模拟分析 中图分类号 ： T U 5 2 8 ． 0 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 4 — 0 1 1 0 - 0 3 ANSYS a na l ys i s of po s t -t e ns i one d unbon de d pr e s t r e s s e d c on cr e t e b oar d w it h op s en— hol e J I N L i n g— z h i ， CHEN M in， CAO Xi a ， WAN Xi a o - m i n g ( De p a r t me n t o fCi v i l En g i n e e r i n g， Gu i l i nUn i v e r s i t y o fTe c h n olog y， Gu i l i n 5 41 0 0 4． Ch i n a) Abs t r a c t ： Owi n g t o t h e o u t s t a n ding a d v a n t a g e s o f u n b o n d e d p r e s t r e s s e d t e c h n o l o g y， i t h a s b e e n wi d e l y u s e d i n h i g h — r i s e b u i l d i n g flo o r ．Ho we v — e r ， wi t h t h e c on t i n u o u s i mp r o v e me n t of t h e f u n c t i o n r e q u i r e m e n t s o f t h e b u i l d i n g， t h e b o a r d s wi t h o p e n i n g s b e c o me mo r e a n d mo r e c o mmo n，not o n l y i n n e w c o n s t r u c t i o n s b u t a l s o i n r e n o v a t i o n p r o j e c t s ． T h e s e h o l e s w i l l c h a n g e t h e me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f t h e o r i g i n a l fl o o r ， a n d c a u s e s t r e s s c o n c e n t r a t i o n a r o t md t h e h o l e s e a s i l y Th i s a r t i c l e c a r r i e s O i l t h e s i m u l a t io n a n a lys i s b y mo d e l i n g t h e e x p e r i me n t a l m o d e l u s i n g ANS YS s o f t wa r e ， f o c u s e s o n t h e d e fle c t i o n， c r a c k a n d ul t i ma t e loa d o f u n b o n d e d p o s t — t e n s i o ne d p r e s t r e s s e d c o n c r e t e b o a r d wi t h o p e n — h o l e ． Afte r ma k i n g t h e c o mpa r — a t i v e a n a l y s e s t o t h e me c h a n i c a l b e h a v i o r a n d f a i l u r e me c h a n i s m u n d e r t h e di ffe r e n t l o c a t i o ns o f t h e h o l e s， t h e s i mu l a t i o n r e s u l t s a r e c o mp a r e d wi t h e x pe r i me n t a l r e s u l t s ， a n d t h e n， s h o ws t h a t ANS YS c a n s i mul a t e t h e wh o l e p r o c e s s o f l o a d i n g b e t t e r ， p r o v i d e s t h e o r e t i c a l b a s i s f o r i t s a p p l i c a — t i o n a n d p r o mo t i o n i n p r a c t i c a l e n g i n e e r i n g Ke y w or d s： u n bo nd e dp r e s t r e s s e d； o p e n — h ole b o a r d； me c h a n i c a l b e h a v i o r ； ANS YS； s i mu l a t i o n a n a l y s i s 0 引 言 无黏结预应 力技术不仅能改善结构 的受力性能l 】 ， 而且扩大 了梁板结构的经济跨度， 降低了层高， 便于建造大跨度 、 大开问、 大柱 网 、 大空间无 内柱的建筑物等 ， 近年来在工业和民Ⅲ的多 、 高层建 筑中得 到了大量 的推广 和应用 。 目前无黏结 预应 力的理 论分析研究主要分为两类 ： 一类是根据力学 原理 ， 从理论 卜 推导 有 关适 用于无黏结预应 力结构计算 的公式 ； 另一类 是借助有限 元工具 ， 提出一个 比较实用的有限元模型 ， 分析结构的受 力情况。 本文通过后张无 黏结预应力混凝土开洞板在均布荷 载作用下 的 静载试验 ， 进行后 张无黏结预应力混凝土开洞板的双向受力性 能日 及破坏机理分析 ， 并在试验的基础上 ， 根据板洞 E I 位置的不 同 ， 采用 A NS Y S软件对试验模 型的挠度 、 裂缝 、 极 限荷载等进行 了有限元模拟分析， 将模拟分析结果与试验数据进行比较， 表明 A NS YS能较好地模 拟无黏结预应力混凝 土开洞板 的受 力全过 程 ， 为这种结构在实际1 程中的应用和推广提供理论依据。 表 1 。试验板净跨尺寸为 2 0 0 0 minx 2 0 0 0 m m， 板的周边从梁轴线 中心 向外义各延伸 了 2 5 0 m m， 板厚度为 8 0 mm； 梁轴线 问尺寸 2 0 0 0 t n iT l ， 梁截而尺寸 1 5 0 mmx 2 0 0 mm； 梁支撑在 4 根截面尺寸 l 5 0 mm x l 5 0 mm 的柱子 i ： ， 柱高 2 5 0 n u n ， 加载模型见图 l 。 表 1 试验板类型及数量 2 试验模 型的 A NS YS有 限元分析 1 试验概况 2 ．1 本次试验， 、2 1~ "F - 计 了 8 块后张无黏结预应力混凝土双向板 ， 见 有 限元模 型的 建立 本文模型建模时采J } j 分离结合整体式 ， 非预应力钢筋采用整 收稿 日期 ：2 0 1 0 - 1 l - 2 4 基金项 目：广 西 自然科学基金项 目( 梓科 自0 8 3 2 2 5 5 ) ； 广西建筑工程检测 试验重点实验室基金项 日( 桂科能O 7 1 0 9 0 0 5 一 I 6 ) 1 1 0 图 1 试验模 型及加载 图片 体建模 ， 将非预应力钢筋 L i n k 8 单元按照体积率( 配筋率) 弥漫 丁 S o 1,i d 6 5 混凝上单元 中， 也就是通常昕说带簸的 S o l i d 6 5 单元。 由于要考虑预应力筋张扣阶段及加载阶段时的作用 ， 采用 降温法模拟 作用力 。 建好 实体模型后根据预应力筋在实体模 型中的布置和间距来 没定单元网格密度 ， 划分混凝土单元网格 ， 小文所划单元的网格密度足 5 0 x 5 0 x 4 。 然后在实体单元节点之 问 接创建预应力筋 L i n k 8单元， 这样预应力筋和混凝土能够 血接共 作， 不需要进行耦合等操作。 L太 I 为模型板太薄 ． 为了 量 现预应 力筋 的 z方 向位 置以及缩短模 型单元计 算的时 间， 最终把模型板 z方 向分成 4份 ， 从而最 下面一层 预应 力筋 矢高 2 O m m， 另一 个方向矢高 4 0 mm， 与试验过程 中预应 力筋 位置稍有偏 差 板按 粱支双 向板的模型进行 分析 ， 梁 则按 文件 实际位置建模 ， 模型梁单元的川度比饭的刚度大很多， 并且在 求解时把梁底表面自南度约束。 2 ． 2 加栽阶段挠度及等效应力模拟分析 F - f 2是 B 2 ～ B 5板的 z厅向的变形 图也即挠度冈 ， 在预应力 筋张拉和施加混凝土板自重荷载后 ， 各块板的挠度值比较接近， 存这种情况下无 论洞 口开在 什么位置板 都表现 出 良好 的线 弹 性 ： 住有限元模拟过 程中 ， 当荷载值 增加 1 5 0 k N左右 的时候 ， 开f ff j) 板 的挠度值 开始比较明 显增加 ， 而未开洞板挠度值 的增加 卡 H 对于开洞板来 说变化不是很大 ． ． 这也充分 说明 了开洞会造成 偻板整体 力分布状 况的变化以及洞 口对板强度 、 刚度的削弱。 从 2中叮以看⋯ ， 朱lJ f 洞板 和开洞 板挠度极 值的分布范围基 本一致 ， 都是板底 中心处最 大 ， 还 有就是靠 近板底 中心 的洞边 或涮口角部也比较大。 表 2是 A N S YS计算的挠度值和实测值 ( c ) B5 图 2 B 2 一 B 5板加载后的 Z向位移 图 表 2 挠度 AN S YS计算值 和实测值 比较 的比较。 因为有限元分析设置边界条件时把梁底表面所有自南 度都约束了， 和试验情况有些出入， 由于支承梁 自身的挠曲变 形 ， 在竖向荷 载作用 下 ， 也会使板 的挠度发 生变化。 所 以其 挠度 值的计算结果也有些差异 ， 特别是 B 2 ， 完全嵌固 的假定 显然不 太理想 ， 挠度偏小， 但从挠度值的变化规律来看 ， A NS YS模拟 结果和实测结果 的变化规律还是 比较相近的。 图 3是各板的等效应力等值线图， 从图 3中可以看出， 对于 开洞板来 说应力分 布规律 比较 接近 ， 板底 中心 、 洞 口附近都是 应力集 中的区域 ， 特别 是洞 口角部 比较 明显 。 这 也是为什 么试 验过程中在板底中心 、 洞 口角部最先出现裂缝的原因。 就其开 洞板最大 等效应力数 值来看 ， 开角洞 板的等效 应力值最 大 ， 为 2 5 3 ． 9 9 6 MP a ， 开边洞和开巾洞的等效应力值稍微小一些。 图 3 B 2 ～ B 5板加载后的等效应力图 2 ． 3裂缝 分析 4是各板 的裂缝分 布图 ， 为便 于清 晰地 观测裂缝并未使 用截取的栅格 图片。 在栅格图片中可以看出裂缝 已贯穿整块板 ， 板角也有裂缝 贯通 ， 只是板 底中心的裂缝较 多而且很密 。 从未开洞板的板底裂缝 图可 以看 出 ， 受均布荷载作 用的后 张预应力混凝土双向板与相同边界条件和荷载形式的普通混 凝土双向板具有相似的裂缝分布模式。 其余开洞板块由于受 到单元 网格 划分 、 洞 口位 置和边界 条件的限制 ， 裂缝 分布稍稍 有一点异样 ， 但大致形状是相似的。 并且这些裂缝的分布与前 面试 验部 分 的描述也 基本 一致 。 这同时 也说 明有 无预应 力两 类板块中主要应力的分布规律类似， 将普通钢筋混凝土双向板 的某些理 论应 用到 预应 力混凝 土板块 是可行 的 。 表 3是 根据 裂 缝 的贯穿 情 况及 加 载计 算 到发 散为 止得 出的极 限荷 载 的 A NS Y S计算值与实测值的比较 ， 受模拟条件( 支撑梁刚度 比 较大 ) 的限制 。 从 塑性 内力重 分布 的理论 来分 析 ， 计算 值偏 大 是可能发生 的。 11 1 图 4 B 2 ～ B 5板底裂缝分布图 表 3 极 限荷载计算值和实测值比较 k N 2 ． 4开 洞板预 应 力筋 的变形 图( 以 B 3 、 B 5为例 ) 图 5 、 6 是各 开洞板预应 力筋 的挠度变化值 ， 由于划分单元 的需要 ， 预应力筋的位置与试验中预应力筋的实际位置有偏 差 。 但就其开洞板 而言在 同等情 况下 ， 开角洞板 的预应 力筋挠 度值较开边 洞板 和开 中洞 板的值大 一些 ， 而J 4 _ 三种板都是接近 跨中的预应力筋挠度值最 大： 所 以宜尽量在跨中或者洞 口边缘 布置一些加强筋或者暗梁， 以减小洞口对板整体造成强度 、 刚 度的削弱。 3结 论 图 5 B 3板预应力筋变形图 图 6 B 5板预应力筋变形图 有限元软件 ， 对预应力筋加载阶段板的挠度、 裂缝 、 极限荷载等 进 行了分析 ， 其结果 是对试验过 程和数据的补充 ， 从 中可 以得 以下 儿点启示 ： ( 1 ) 通过后张无黏结 预应力混 凝土板模 型施 加均布荷载的 静载试验和有限元分析， 发现未开洞板的受力状态与同等条件 下 的普通钢筋混凝土板基本一致 ， 而无黏结 预应 力混凝土板整 体性 能好 、 抗裂能力强 、 并具有较大 的承载力 ， 在] _ 程应用中具 有很大的安全储备。 就其 丁 F 洞板挠度而言在极限衙载情况下， 开 角洞板 的挠 度值最大 ， 开边洞的挠度值最小。 从裂缝分布来看 ， 裂缝主要分布在板底 中心 区域 、 洞 口角部。 ( 2 ) 本研究 的有限元分 析也 有一些缺 陷 ， 如在求解时把 梁 底表 面 自由度约束 ， 支撑梁刚度偏 大 ， 模拟不够准确 ， 影响了计 算的精度， 若改为不连续节点的约束， 就与实际情况更加吻合， 此 计算模型有 待进一步改进和完善。 ( 3 ) 运用 A NS Y S有限元 软件 ， 对 预应力 筋加载 阶段 的挠 度 、 裂缝、 极限荷载等进行了相关的模拟和分析， 由有限元模型 计算得 到的位移和裂缝及极限承载力从张扣 、 加 载到破坏 阶段 虽有误 差 ， 但都基本吻合 ， 而且具有相 同的变化趋势 ， 说明有限 元软件 A NS Y S能较好地模拟无黏结预应力开洞板的受力全过 程 ， 是T程设d- r 户 不可或缺的计算工具 。 参考文献 ： f 1 1赵 冬梅 ． 无黏 结预应力混 凝土开洞平板 的受力 性能研究 【 J J _施 工技 术 ， 1 9 9 9 ， 2 8 ( 1 2 ) ： 2 3 — 2 5 ． 1 2 l2 范进 ， 冯庆 兴． 开洞对板 的内力及变形的影NJ [ J ] ． 工业建筑 ， 1 9 9 9 ， 2 9 ( 5 ) ： 3 2 — 3 7 ． J 3 1李 围． A N S Y S土木工程应 用实例 ( 第二版) 【 M】 1 ] 京 ： 水利水 电出版 社 ， 2 0 0 7 ． f 4 ] 万小明． 预应力开洞板的试验研究与理论分析[ 桂林： 桂林理工大 学 ， 2 0 1 0 ． 『 5 I L I N _r Y， B U R N S N H D e s i g n o f p r e s t e r s s e d c o n e r e t e s t u r e t u r e s ： t h r i d e d l t i o n [ J 1 ． N e w y o r k： J o h n i l e v a n t ] S o n s ， l 9 8 1 ． 作者简介： 金凌志( 1 9 5 9 一 ) ， 女 ， 教授， 一级注册结构工程师， 结构工程 专业。 联系地址： 桂林市建干路 】 2 号 桂林理工大学土木与建筑工程学院 ( 5 4 1 0 0 4 ) 根据板洞口 位置的不同， 结合未开洞板的情况， 利用A N S Y S 壁墨皇 堕： ! ! 二 ! l ／ 1 、 ， 一( ( f 、 。 。 一 ( f < ( ，< <，。 一< 、 ，、 ， ，，，， ， ， ’t ’ ■ 藿 疆 “ C 1 2 0 超高 性能混 凝 土超 高泵 送 新闻 发 布会” 在深 圳举 行 由中国建筑工程总公司组织召开的“ 在京基 1 0 0项目C1 2 0超高性能混凝土超高泵送( 4 l 7 m) 新闻发布会” 于 2 0 1 1年4月 1 0 日在深圳 召开 ， 有 关方面代表共 1 0 0 多人 I叶 I 席会议。 中国建筑业协会秘书长吴涛应邀 出席会议 ， 他 在致 辞[ t 1 指 出 ， 混凝 if a l 世 至今 ， 已近两百 年的发展历 史， 并已实现了混凝土生 产的专业化 、 商品化和社会化。这是建筑依靠技术进步改变生产方式， 实现建筑工业化的一项重大改革， 具有显著的社会效益和经 济效益。由于现代建筑和施工结构方案的日益复杂， 以抗压强度好 、 耐火性能优 、 韧性强 、 收缩性能可控等技术为指标的高要求成为 当今建筑科技创新的新命题。会上， 清华大学冯乃谦教授对C1 2 0超高 1~ - 能混凝土超高泵送( 4 1 7 m) 课题成果进行了}井评。 1 l 2