钢筋混凝土叠合结构二次受力过程数值分析.pdf
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1、第2 5 卷第4 期 2 0 0 8 年 1 2月 华中科技大学学报( 城市科学版) J o f HUS T( Ur b a n S c i e n c e Ed i t i o n) Vo 1 2 5 NO 4 De c 2 0 0 8 钢筋混凝土叠合结构二次受力过程数值分析 孙 冰 1 ,2 a ,丁德馨 1 ,2 b ,曾 晟 ,石建军2 ( 1 中南大学 资源与安全工程学院,湖南 长沙 4 1 0 0 8 3 ; 2 南华大学 a 城市建设学院;b 核资源与安全工程学院,湖南 衡阳 4 2 1 0 0 1 ) 摘要:二阶段制造和二次受力是叠合结构的关键特征。基于 A B A QUS软件
2、,考虑钢筋和混凝土材料本构关 系的非线性,定义了联结单元分析钢筋与混凝土之间的粘结滑移关系,确定了切向弹簧单元和主、被动接触表 面分析新旧混凝土叠合面之间的粘结滑移关系, 通过初始条件定义施加预应力形成初始应力场,引入生死单元 模拟叠合结构的二阶段制造和二次受力过程。通过数值分析,验证有限元分析方法的正确性和可靠性,为叠合 结构在实际工程中的应用以及其有限元分析提供参考。 关键词:叠合结构;二次受力;有限元分析;粘结滑移;生死单元 中图分类号:T U3 7 5 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 2 7 0 3 7 ( 2 0 0 8 ) 0 4 0 2 6 0 0 4 叠合结构的两阶段制造
3、和二次受力,使其兼 有现浇结构和装配式结构的优点。其现浇部分和 预制部分共 同工作,与混凝土装配式结构相比, 加强了结构的整体刚度、增强 了抗震能力 。但该 结构在工程 中的应用并不理想 ,主要原因是构件 的工程质量、结构性能检验方法和二次受力机理 的研究远不能满足工程实践需要。因此,二次受 力过程的分析和研究有助于进一步解释其力学特 性。本文在实验的基础上,基于 AB AQ US对叠 合结构的实际受力情况进行数值模拟分析。研究 表明,模拟与试验结果 比较吻合,为叠合结构的 应用与研究提供参考 。 1 接触模型 1 1 新旧混凝土之间的接触 新 旧混凝土采用弹塑性弥散裂缝模型,二者 之间的相互
4、作用采用主控 被控接触面 。 计算时新 旧混凝土之间满足接触位移和接触力边界条件 , 即在相互挤压作用时,沿法 向不发生相互嵌入和 重叠现象;同时在接触点对上满足法向正压力大 小相等 ,方向相反,而沿切 向的可能接触力条件 则取决于摩擦力模型,本文采用经典库仑摩擦定 律 。计算采用 的接触模型如图 1 ,其中 P为接触 点对上的接触压力 ,h为两接触面之间在该点处 的相对滑移,c 为初始接触间距, P 。 特征接触力。 当两接触面处于张开状态,接触压力为零 ,而随 着叠合面之间靠近并相互挤压 ,则接触压力呈指 数函数关系增大。通过合理选择 c 和 P 。 值,可实 现接触面之间的张开与闭合力学
5、行为光滑平顺过 渡 ,同时控制接触面间的可能嵌入深度为可接受 的微量 。从而保证在非线性计算中的精度要求和 收敛效率。 P , 一 一 图 1 接触压力一嵌入关系模型 基于线性库仑摩擦定律模拟混凝土材料界面 间可能的静 、动摩擦行为,在静摩擦范围内,剪 应力 彳与剪应变 成正 比,一旦滑动,采用库仑 定律确定,即: = 。,u p 1 2 钢筋与混凝土之间的相互作用 钢筋混凝土有限元分析有分离式、嵌入式和 分布式三种模型,研究表明分离式模型能更准确 的模拟钢筋与混凝土之间的相互作用关系I 1 】 。本 文建立了分离式滑移模型,即混凝土单元 内部嵌 入钢筋,并在钢筋与混凝土之间设置联结单元, 收
6、稿日期:2 0 0 8 0 6 1 3 作者简介: 孙( 1 9 7 9 一 ) , 女, 河南平项山人, 博士研究生, 研究方向为混凝土结构数值分析, s u n b i n g 0 7 3 4 1 2 6 c o rn。 第 4期 孙冰等: 钢筋混凝土叠合结构二次受力过程数值分析 2 6 1 其握裹力与滑移量之间满足 Ho u d e提 出的公式 ,扪 。联结弹簧的切 向刚度系数 按下式计算: k =A d d z ( 1 ) 式中:A为分配给该弹簧的表面积, 为握裹力, A为滑移量。 2 二次受力过程数值模拟 2 1 有限元模型 在实验的基础上,对叠合板的二次受力过程 进行非线性有限元模
7、拟分析,叠合板 的参数见文 献 4 】 。因叠合板的结构和受力均对称 ,为了减小 计算的工作量,取其 1 4进行分析,板的端部按 试验时的边界布置施加约束 ,而对称边界仅施加 对称方 向上的约束 。 新 旧混凝土单元采用 2 0节点 三维空间六面体二次单元( C3 D 2 0 ) ,新旧混凝土 之间的虚拟空气单元也为 C 3 D2 0单元且其拓扑 描述同新混凝土单元,钢筋采用三维线性插值梁 单元,有限元模型如图 2 。 图 2 有限兀模 型 2 2 单元生死的处理 如果模 型中加入( 或删除) 材料 ,模型中相应 的单元就存在( 或消亡) 。单元生死选项就用于在 这种情况下杀死或重新激活选择的
8、单元 。叠合板 的二阶段制造和二次受力使得其施工过程中载荷 的施加涉及初始应力和变形的影响,一阶段荷载 作用下预制板将形成应力场且产生变形,当后浇 混凝土浇注后,在完成养护的过程中存在应力重 分布及变形协调问题 。为了更准确的模拟上述过 程 ,在新旧混凝土单元之间加了一层虚拟的空气 单元,其拓扑描述与后浇混凝土单元是一致的。 同时运用 AB A QUS提供的生死单元技术解决这 类 问题,即在求解过程 中先杀后浇混凝土单元, 对预制部分进行求解,然后再激活后浇混凝土单 元继续进行求解。 2 2 加载方法及步骤 由于叠合结构特殊的施工过程使得其受力分 析十分复杂,为了准确地模拟其从加载到破坏过 程
9、并保证计算过程合理收敛,加载过程及恰当的 处理方式显得尤为重要 ,主要分四步进行。 第一步,张拉钢筋产生预应力。钢筋预应力 的施加 运用 关键 字 行* I NI T I A L C O N DI T I O NS , T YP E= S T R E S S 。该阶段用 MO DE L C HA NG E, T Y P E =E L E ME NT R E MOV E杀死后浇混凝土单 元 。 第二步,对预制轻骨料混凝土板施加 自重, 使预制构件在 自重 的作用下形成初始 的预应 力 场,保持后浇混凝土单元的杀死状态。 第三步,对预制构件施加一阶段荷载同时保 证后浇混凝土的杀死状态 。 第 四步
10、,对整个构件施加二阶段荷载,用关 键字行* MOD E L C HA NG E ,T Y P E = E L E ME N T , A DD激活后浇混凝土单元 , 同时施加后浇混凝土 自重。 另外 ,在整个加载过程 中虚拟的空气单元处 于激活状态。 3 计算结果分析 图 3为三块板试验结果与基于 A B AQU S的 计算结果所绘制 的荷载 一挠度 曲线 。B1 ,B 2 , B3( 下文同)表示三块板的试验结果,AB AQ US ( 下文同)表示用基于 AB A QUS的计算结果 , F 1 , F 2分别表示一、二阶段所加荷载 。从图中可 知 F 1加载过程 中,模拟 曲线与试验 曲线吻合
11、较 好 ,均近似为直线,说明在此阶段预制板的挠度 呈线性变化 ; F 2 加载过程中,变形急剧增加而且 曲线斜率呈下降的趋势,说明此阶段随着荷载的 增加构件变形不断增大而其刚度逐渐下降,但构 件并未发生强度破坏,说明构件有较高的强度储 备;从试验和模拟曲线可知一阶段到二阶段加载 的过渡出现 明显的拐点而且后者曲线斜率明显大 于前者,造成这一现象的最主要原因是构件正截 面的变化引起 的。从上可知,模拟与试验结果吻 合较好,模拟计算比较真实的反映了叠合板的实 际加载过程的变形特征。 图3 一、二阶段加载下叠合板的荷载一挠度 曲线 图 4为二次受力过程中,试验与 A B AQ US 计算所得的钢筋的
12、荷载一应变曲线。在 F 1作用 2 6 2 华中科技大学学报 ( 城市科学版) 2 0 0 8 年 下 ,二者 曲线基本重合且均呈直线分布,说明二 者吻合较好且钢筋基本上处于弹性变形阶段;在 F 2作用下, 二者曲线不管从变形趋势还是从数值 上均吻合较好且均呈现明显的非线性分布,说明 钢筋在此阶段发生明显的非线性变形。从整个过 程来看,二者吻合较好,均表现 出了叠合板纵 向 受拉钢筋 的应变特性。 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 l 4 0 0 l 6 0 0 1 8 0 0 微 应 变 图 4 钢筋 的荷载 一应变 曲线 图 5为 F l
13、作用下 , 试验与 A BA Q US计算结 果的预制板受压区混凝土荷载 一应变曲线,试验 与模拟 曲线基本上均呈直线分布且二者吻合较 好,说明在此阶段预制板没有产生非线性变形, 也说明AB A QUS的计算结果基本上反映了F l 加 载下预制板的真实应变。 微 应 变 图 5 一阶段加载受压区混凝土荷载一应变曲线 微 应 变 图6 二阶段加载受压区混凝土荷载一应变曲线 图 6为 F 2作用下,试验与基于 A B AQ US计 算所得结果的叠合板受压区混凝土荷载一应变曲 线,从二曲线从变化的发展趋势来看基本一致; 在加载初期 由于构件没有发生明显的非线性变形 二者结果在数值基本一致,随着荷载的
14、增加裂缝 等非线性特征逐渐 出现 ,二者结果的差别逐渐增 大 , 在相同荷载的作用下,A B AQ US计算的混凝 土产生的应变较大 ,构件的延性表现的更明显。 但总的来说,二者所得结果吻合较好。由图 5和 图 6可知, 模拟与试验的结果均反映了叠合极 受 压混凝土应变滞后 ”现象。 4 结论 ( 1 ) 试验和模拟结果均表明叠合板纵向受拉 钢筋具有 “ 应力超前 ” 、后浇混凝土受压区 “ 应变 滞后 ”等现象,这也是叠合结构的重要特征。 ( 2 ) 生死单元的引入使得模拟过程 比较真实 的再现 了叠合 结构的二阶段制造 和二次受力过 程,合理的材料模型以及不同材料之间粘结滑移 的考虑使得模
15、拟结果更加真实。模拟结果与试验 结果的比较表明,二者无论在变化趋势还是在数 值大小上都吻合较好,而且都反映了叠合结构一 些代表性的特征。 ( 3 )基于 AB A QUS对叠合板进行有限元分 析所选用的模型和处理计算方法是可行的,同时 也为改进的叠合板 的工程应用和数值分析方法提 供 了参考。 参考文献 【 1 】 AS C E T a s k C o mmi t t e e o n F i n i t e E l e me n t A n a l y s i s o f Re i n f o r c e d Co n c r e t e S t r u c t u r e s S t a t
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