活性粉末混凝土预应力叠合梁受弯性能非线性数值分析.pdf

2 0 1 2年 第 8 期 (总 第 2 7 4 期 ) Nu mb e r 8 i n 2 0 1 2 ( T o t a l No ． 2 7 4 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 混凝土制品 C0NCRETE 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 2 ． 0 8 ．0 3 5 活性粉末混凝土预应力叠合梁受弯性能 非线性数值分析 朱智俊 a ．b ，刘忠 a ．一 ，杨哲光 B Ib ，朱勇杰 - 一 。谭良斌 ( 湘潭大学 a ． 土木工程与力学学院； b ． 湘潭大学 流变力学研究所 ，湖南 湘潭 4 1 1 1 0 5 ) 摘要： 针对活性粉末混凝土预应力叠合梁的受弯性能， 利用有限元分析软件 A N S Y S ， 建立了活性粉末混凝土预应力叠合梁的三维有 限元数值分析模型， 对试验全过程进行了仿真模拟， 并研究了主要参数( 如： 有效预应力， 后浇层混凝土强度等级， 后浇层纵向配筋率等) 对叠合梁受弯性能的影响， 为活性粉末混凝土预应力叠合梁的设计提供了参考。 关键词： 活性粉末混凝土；预应力 ；叠合梁；受弯性能；参数分析 中图分类号： T U 5 2 8 ． O 1 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 2 — 3 5 5 O ( 2 0 l 2 ) 0 8 一 O 1 1 5 - 0 4 Nonl i ne ar nu m e r i c al an al y s i s on t h e be ndi ng per f or man c e o f r e a c t i ve p owde r c onc r e t e pr e s t r es s ed c ompos Re bea ms Z HUZ h i -j u n a ,b L I UZ h o n g “ ， Y ANGZ h e - g u a n g a b , Z HU Y o n g - fi e ， T A NL i a n g - b i n _ ( a ． C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n dMe c h a n i c s ； b ． I n s t i t u t e o f Rh e o l o g y ， Xi a n g t a nU n i v e r s i t y ， X i ang t a n4 1 1 1 0 5 ， C h i n a ) Abs t r a ct：T h e t h r e e — d i me s i o n a l mo d e l s o f r e a c t i v e p o wd e r c o n c r e t e p r e s t r e s s e d c o mp o s i t e b e a ms we r e e s t a b l i s h e d b y t h e fin i t e e l e me n t an a l y — s i s s o ft wa r e ANS YS i n o r d e r t o r e s e arc h t h e b e n d i n g pe r f o r man c e of r e a c t i v e p o wde r c o n c r e t e p re s t r e s s e d c o mp o s i t e b e am s ． T he t e s t p r o c e s s o fr e — a c t i v e po wd e r c o n c r e t e p r e s t r e s s e d c o mpo s i t e b e a ms wa s s i mu l a t e d and i t ’ S ma i n param e t e r s t h a t a ffe c t i n g the be n d i n g pe r f o r manc e， s u c h a s the e ffe c t i v e p r e s t r e s s ， t h e c o n c r e t e s t r e n g t h g r a d e o f po s t - c a s t l a y e r a n d t h e r e i n f o r c e me n t r a t i o o f p o s t - c a s t l a y e r ， we r e a n a l y s e d， t he d e s i g n r e f e r e n c e s f o r r e a c t i v e p o wd e r c o n c r e t e pr e s t r e s s e d c o mp o s i t e b e a ms c a n b e p r o v i d e d b y t h e m． K e y wo r d s ： rea c t i v e p o wd e r c o n c r e t e ； p r e s t r e s s ； c o mp o s i t e b e a ms ； b e n d i n g p e r f o rm a n c e ； ~ a a r a me t er锄 i s 0 引言 活性粉末混凝土( r e a c t i v e p o wd e r c o n c r e t e ， 简称 R P C) 是继 无宏观缺陷水泥、 超细粒聚密水泥、 化学结合陶瓷以及高性能 混凝土之后， 水泥基材料家族中的新成员， 它具有超高强度 、 高 工作度、 高体积稳定性、 高抗渗性等优良特性。 目前， 国内外对 R P C材料的物理力学性能有较深人的研究。 采用 R P C材料制 作大跨度桥梁的预制梁， 并与后浇混凝土板组成预应力叠合梁， 其受力性能可以和钢一 混凝土组合梁相媲美， 在应用上已经有了 一 些工程实践口 - 2 1 。 但是 ， 目前针对这种新型结构的设计理论与 应用的研究相对较少。 为了揭示 R P C预应力叠合梁的受力机 理， 本研究利用有限元软件 A YS YS ， 建立了 R P C预应力叠合 梁的三维有限元分析模型， 对破坏过程进行了非线性数值模拟， 研究了主要参数对叠合梁受弯性能的影响， 为活性粉末混凝土 预应力叠合梁的设计应用提供了参考。 1 活}生 粉末混凝土预应力叠合梁有限元分析模型 1 ． 1 试 验概 述 廖莎等人13 ] 针对’活．陛粉末混凝土预应力叠合梁的受力性能， 进行了试验研究。 试件为四点弯曲简支梁， 该梁下部为工字型纯 无黏结预应力 R P C梁， 上部翼缘为后浇混凝土矩形板( 后浇层) ， 收稿 日期 ：2 0 1 2 - - 0 2 - 0 9 整个构件为 T形截面预应力叠合梁， 截面尺寸及配筋如图 1 、 2 所示， 约束及加载情况如图 3 。 图 1 截面尺寸图( 单位： mm) 图 2 截面配筋图( 单位 ： mm) 11 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m P ／ 2 P ／ 2 图 3 试验梁的约束及加载示意图( 单位 ： ram) 选择了其中的两根试件作为研究对象， 主要试验参数见表 l 。 表 1 试件主要参数 1 ． 2 三维有限元数值分析模型 根据试验过程建立的 R P C预应力叠合梁三维有限元分析 模型如图 4 所示。 钢筋混凝土采用分离式建模 ， 不考虑混凝土与 钢筋之间的滑移， 通过合并节点使钢筋和混凝土协同工作。 预应 力钢绞线采用实体力笳法模拟 ， 为避免应力集中， 在梁端的钢 绞线锚 固区设置了刚性垫块。 在混凝土实体内， 耦合钢绞线和 混凝土 ， Y两个方向的 自由度， 在垫块中， 耦合钢绞线和垫块 x , y ， 。 三个方向的自由度， 预应力通过初应变法模拟。 模拟过程中， 混凝土采用三维八节点实体单元S O L I D6 5 ， 钢筋和钢绞线采用两 节点杆单元L 1 N K8 ， 垫块采用三维八节点实体单元 S O L I D 4 5 。 图 4 活性粉末混凝土预应力叠合梁有 限元模型 混凝土采用多线性等向强化模型( MI S O) ， 破坏准则采用 Wi l l a n Wa mk e五参数破坏准则。 活性粉末混凝土、 普通混凝土 以及高强混凝土的单向受压应力应变关系分别采用文献[ 4 — 6 ] 提 出的表达式。 钢筋和钢绞线采用双线性等向强化模型( B K S O) ， 屈服准则 采用 Vo n Mi s e s 屈服准则。 钢筋和钢绞线采用理想弹塑性本构关 系， 钢筋弹性模量为 2 ． 0 x 1 0 IV I P a ， 屈服强度为 2 3 5 MP a ， 泊松比 为 0 ． 3 ； 钢绞线弹性模量为 1 ． 9 7 x 1 0 ’ i V l ~ a ， 屈服强度为 1 6 2 1 ] V [ P a ， 泊松 比为 0 ． 3 。 分析过程中考虑了混凝土的开裂和压碎、 钢筋的塑性变形， 为了达到正常收敛 ， 计算时采用 Ne w t o n ． R a p h s o n平衡迭代， 荷 载子步设为 2 0 0 ~ 2 5 0步 ， 采用位移收敛准则 ， 设置收敛误差为 1 ． 5 ％， 打开线性搜索、 时间步长预测一 纠正等选项。 2 活性粉末混凝土预应力叠合梁有限元数值 模 拟 利用本试验所建立的三维有限元数值分析模型， 对试验全 过程进行了非线性数值模拟， 计算得到跨中弯矩一 挠度( M- a ) 曲 线和跨中弯矩一 钢绞线应力增量( M- A o -~ ) 曲线 ， 如图 5 ~ 8 所示 ， 计算结果与试验结果吻合较好。 l1 6 9 0 8O 70 6 0 5 0 2 O 1 0 O 1 0 2 O 3 O 4 0 5 0 6 0 7 O 跨 中弯矩 6／ m m 图 5 L - 1的 M_ 占曲线 90 80 7 0 60 蚕 5 0 4 0 器 3 0 20 l 0 O 1 0 O 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 应力增 量 A a 。 ／ MP a 图 6 L - 1的 M- Aa ~曲线 亨 堇 萤 抑 跨 中弯矩 6 ／ ram 图 7 L - 2的 M_ _ 曲线 0 l 0 0 2 00 3 00 400 500 60 0 钢 绞线应力增 量 △ 。 ／ MP a 图 8 L 一 2的 M- A a ~曲线 加载过程中， 叠合梁跨中截面上下边缘处混凝土应力的变 化曲线， 如图 9 所示。 随着荷载的增大， 叠合梁下边缘处的应力 由初始时的受压状态逐渐变为受拉状态， 当荷载达到 O ．5 6 ( 为 极限荷载) 时， 该处的拉应力值达到了R P C的抗拉强度， R P C 开 裂并退出工作， 应力值变为零。 同时， 叠合梁上边缘处的应力由 初始时的受拉状态逐渐变为受压状态， 当荷载达到 0 ． 5 时， 伴 随下边缘 R P C开裂， 受压区混凝土压应力急剧增大。 当达到极 限荷载时， 受压区边缘混凝土压应力达到抗压强度， 混凝土被 压 溃 ， 梁发生破坏 。 加载过程中， 钢绞线和跨中截面不同位置处三根钢筋( A、 B、 C， 见图2 ) 应力的变化曲线， 如图 1 O 所示。 加载初期， 钢绞线拉 应力缓慢增加 ， A钢筋受压， B、 C钢筋受拉。 随着荷载的增加 ， m ∞ ∞ 加 ∞ 如∞ 如 加 ( m之 、 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 结果均表明， 当有效预应力超过 1 0 0 0 MP a时， 预制梁已出现 裂缝 。 3 。 2 后浇层混凝土强度等级 当其他参数保持不变 ， 仅改变后浇层混凝土强度等级时， 计算结果如图 1 4所示。 结果表明： 当后浇层混凝土等级由C 4 0 变化为 C 8 0时， 叠合梁的开裂荷载基本保持不变， 极限荷载逐 步增大， 破坏时， 挠度和钢绞线应力增量增大。 当混凝土强度达 到 C 7 0以上时， 挠度和钢绞线应力增量快速增长， 而极限荷载 的增加不明显。 后浇层混凝土强度对梁受弩『生能的影响， 是通过 增强叠合梁的变形能力来提高梁的抗弯承载力。 因此 ， 在设计 R P C预应力叠合梁时， 建议后浇层使用 C 5 0 , q 2 7 0级的混凝土。 l 2 0 — 1 O 0 孚 8 o 交6 0 罂 o 2 0 0 2 0 4 0 6 0 8 0 l O 0 1 2 O 跨 中挠度 6 ／ m m ( a ) M一 6 曲线 1 2 0 — 1 0 0 孚 堇8 0 妻6 0 挈 o 留 2 O 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 钢绞线 应力 增量 △ 。 ／ MP a ( b ) 一 △ 曲线 图 1 4 后浇层混凝 土强度对 J ．5曲线和 M- A a ~曲线的影响 3 _ 3 后 浇层 纵 向配筋 率 当其他参数保持不变， 仅改变后浇层纵向配筋率时， 计算 结果如图 1 5 所示。 结果表明： 后浇层的纵向配筋率对 R P C预应 力叠合梁的受弯性能影响不明显， 配筋率由 1 ％增大到 2 ％， 梁的 抗弯承载力仅提高了 5 ％， 提高后浇层的纵向配筋率不能有效地 提高梁的抗弯承载力。 同时， 由图 1 O可知， 叠合梁破坏时 ， 后浇 层的纵向钢筋尚未屈服， 后浇层的纵向配筋率对叠合梁的抗弯 性能影响不大。 因此， 设计 R P C预应力叠合梁时 ， 后浇层纵向 配筋率满足构造要求即可。 4结 论 本试验针对活性粉末混凝土预应力叠合梁的受弯性能， 利 用有限元分析软件 A NS YS ， 建立了活陛粉末混凝土预应力叠合 梁的有限元数值分析模型 ， 对破坏过程进行了仿真模拟， 研究 了主要参数对叠合梁受弯性能的影响， 得到以下结论： ( 1 ) R P C预应力叠合梁的受弯性能和典型无黏结预应力混 凝土梁一样， 分不开裂弹性和开裂弹性两个阶段， 破坏形式为 脆性弯曲破坏。 ( 2 ) 有效预应力的大小对 R P C预应力叠合梁的受弯性能 的影响较大。 其影响机理是通过推迟叠合梁的开裂来提高梁的 1 1 8 1 4O l 2 0 主 1 0 0 80 嚣6 0 4O 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 O 跨 中挠度 6 ／ mm ( a ) M- d i l~ l 线 1 4 0 1 20 主 1 0 0 0 嚣6 0 蓉 o 2O 0 l 00 2 00 3 00 40 0 50 0 6OO 700 8 00 钢绞线应 力增量 △ ／ MP a ( b ) M- A 。 曲线 圈 1 5 后浇层纵向配筋率对 M- 6曲线和 M- Aa ~曲线 的影响 抗弯承载力 ， 预应力越大， 叠合梁的抗弯承载力越高。 设计时， 在确保梁不出现裂缝的前提下 ， 建议在张拉阶段施加较大的预 应力， 以充分发挥钢绞线和R P C优良的受力性能。 ( 3 ) 后浇层混凝土的强度等级对 R P C预应力叠合梁的受 弯性能的影响较明显。 其影响机理是通过增强叠合梁的变形能 力来提高梁的受弯承载力， 后浇层混凝土强度越大 ， 叠合梁的 抗弯承载力越大， 但混凝土强度超过 C 7 0时， 影响不明显。 设计 时， 建议后浇层混凝土使用 C 5 0 ~ 4 2 7 0级。 ( 4 ) 后浇层的纵向配筋率对 R P C预应力叠合梁的受弯性 能影响不显著， 设计时， 满足构造要求即可。 参考文献 ： [ 1 ]A I T C I N P C， R I C H A RD P， L A C H E MI M．T h e s h e r b mo k e r e a c t i v e p o w — d e r c o n c r e t e f o o t b ri d g e [ J ] ． S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g I n t e r n a t i o n a l F r a n c e ， 1 9 9 8 ， 2 1 ( 2 ) ： 9 9 5 — 9 9 9 ． 【 2 】B RI A N F o r t n e r ． F h w a g i v e s s u p e ri o r ma r k s t o c o n c r e t e b ri d g e g i r d e r [ J ] ． C i v i l E n gin e e ri n gMa g a z i n e ． 2 0 0 1 ， 7 1 ( 1 O ) ： l 2 — 1 3 ． [ 3 】 廖莎， 马远荣． 活性粉末混凝土预应力叠合梁受弯性能研究[ J 1 ． 湖南 大学学报， 2 0 0 5 ， 3 2 ( 1 ) ： 4 7 — 6 2 ． 【 4 1王兆亍． 活性粉末混凝土矩形截面配筋梁抗弯性能研究[ D 1 - ] E 京： 北 京交通大学， 2 0 0 8 ． 【 5 ] 江见鲸， 陆新征， 叶列平．混凝土结构有限元分析[ M 】 ． ] E 京： 清华大学 出版 社 ， 2 0 0 5 ． [ 6 ]6 李惠， 高强混凝土及其组合结构【 M 】 ． ] E 京： 科学出皈社， 2 0 0 4 ． [ 7 ] 江见鲸． 混凝土结构工程学[ M 】 E 京： 中国建筑工业出版社， 1 9 9 8 ． 作者简介： 朱智俊( 1 9 8 7 一 ) ， 男， 硕士研究生。 联系地址： 长沙市远大三路远大城( 4 1 0 1 3 8 ) 联 系电话 ： 1 3 7 8 6 2 5 8 2 0 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m