預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土柱框架結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬

劉秀華 于春海

1 概述

型鋼混凝土柱較普通鋼筋柱具有剛度大、承載力高、斷面尺寸小及抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)。帶預(yù)應(yīng)力鋼筋的混凝土梁較普通混凝土梁相比能夠顯著改善結(jié)構(gòu)正常使用極限狀態(tài)的限制。為此,將預(yù)應(yīng)力混凝土梁和型鋼混凝土柱相結(jié)合的新型結(jié)構(gòu)具有廣闊的應(yīng)用前景[1,2]。

2 有限元模型

1)整體式模型:把單元視為連續(xù)均質(zhì)材料,將鋼筋彌散于單元中。鋼筋對整個(gè)結(jié)構(gòu)的作用通過調(diào)整單元的材料力學(xué)性能來體現(xiàn)。整體式模型可采用ANSYS中各種平面單元或三維單元。這種單元的精度很低,它無法揭示鋼筋和混凝土之間作用的微觀機(jī)理;2)組合式模型:組合式模型介于分離式模型和整體式模型之間,不能考慮混凝土和鋼筋間的粘結(jié)滑移。在單元分析時(shí),分別計(jì)算混凝土和鋼筋對單元?jiǎng)偠鹊呢暙I(xiàn),組成一個(gè)復(fù)合的單元?jiǎng)偠染仃嚒＿@種模型處理裂縫的方式為分布型裂縫。直接利用Solid65提供的實(shí)參數(shù)建模,其優(yōu)點(diǎn)是建模方便,分析效率高,而缺點(diǎn)是不適用于鋼筋分布較不均勻的區(qū)域,且得到鋼筋內(nèi)力比較困難。主要用于有大量鋼筋且鋼筋分布較均勻的構(gòu)件中,譬如剪力墻或樓板結(jié)構(gòu);3)分離式模型:將混凝土和鋼筋分別劃分成足夠小的單元,按照混凝土和鋼筋不同的力學(xué)性能選取不同的單元類型。分離式模型又分為兩種:位移協(xié)調(diào):不考慮粘結(jié)滑移,利用空間桿單元Link8建立鋼筋模型和混凝土單元共用節(jié)點(diǎn)。其優(yōu)點(diǎn)是建模比較方便,可以任意布置鋼筋并可直接獲得鋼筋的內(nèi)力。缺點(diǎn)是建模比整體式模型要復(fù)雜,需要考慮共用節(jié)點(diǎn)的位置,且容易出現(xiàn)應(yīng)力集中而拉壞混凝土的問題,從而導(dǎo)致收斂問題;位移不協(xié)調(diào):考慮粘結(jié)滑移,需引入粘結(jié)單元(ANSYS中,通常利用非線性彈簧單元Combin39,這種單元沒有實(shí)際尺寸,只需布置在混凝土和鋼筋的共用節(jié)點(diǎn)之間)。一般來說,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋和混凝土之間都有比較良好的錨固,鋼筋和混凝土之間滑移帶來的問題不是很嚴(yán)重,一般不必考慮。

3 建模所選單元

1)混凝土單元。ANSYS的Solid65單元是專為混凝土、巖石等抗壓能力遠(yuǎn)大于抗拉能力的非均勻材料開發(fā)的單元。它可以模擬混凝土中的加強(qiáng)鋼筋,以及材料的拉裂和壓潰現(xiàn)象。它是在三維8節(jié)點(diǎn)等單元Solid45的基礎(chǔ)上,增加了針對混凝土的性能參數(shù)和組合式鋼筋模型,采用多線性等向強(qiáng)化模型。其本構(gòu)關(guān)系采用現(xiàn)行GB 50010-2002混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[4]建議的兩段式模型。破壞準(zhǔn)則為5參數(shù)Willam-Warnke破壞準(zhǔn)則。2)鋼筋單元。Link8單元是一種三維單軸拉—壓單元,每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有三個(gè)自由度:XYZ軸向位移。它不具有抗彎能力,沒有抗彎剛度,但是具有塑性、蠕變、膨脹等非線性特性。本文模型中采用Link8單元模擬普通鋼筋及預(yù)應(yīng)力鋼筋,本構(gòu)模型采用理想彈塑性模型。3)型鋼單元。Shell181為4節(jié)點(diǎn)殼單元,該單元可以支持線性分析、材料塑性、硬化剛度、大應(yīng)變和大變形分析,適合分析薄板及中厚板殼結(jié)構(gòu)。

4 算例分析

一型鋼混凝土柱預(yù)應(yīng)力混凝土梁框架結(jié)構(gòu),跨度8.4 m,柱高1.61 m,梁柱截面尺寸如圖1所示?；炷翞镃35,泊松比為0.2;箍筋為HPB235級,縱筋為HRB335級,預(yù)應(yīng)力筋采用φs15.2高強(qiáng)低松弛鋼絞線,抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1 860 MPa,張拉控制應(yīng)力0.75fptk,采用應(yīng)變方式施加預(yù)應(yīng)力;柱中型鋼為Q235Ⅰ280×122×8.5×13.7[5]。

加載墊塊及預(yù)應(yīng)力筋錨具采用Solid45單元來模擬?；炷翞镾olid65單元,模型如圖 2所示,型鋼采用Shell181模型如圖3所示。

普通鋼筋及預(yù)應(yīng)力鋼筋采用Link8單元。

有限元分析采用三分點(diǎn)加載模式,Solid65單元設(shè)置中張開與閉合滑移面的剪切強(qiáng)度縮減系數(shù)分別為0.5,0.95,關(guān)閉壓碎。荷載分步施加,由FCUM命令控制逐步累加荷載?？缰辛旱谆炷梁奢d—應(yīng)力曲線及荷載—撓度曲線如圖4,圖5所示。

由圖4可知預(yù)應(yīng)力筋作用下,梁底跨中混凝土受壓,隨著外加荷載逐漸增加,梁底混凝土由受壓狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槭芾瓲顟B(tài),在荷載達(dá)到120 kN左右時(shí)梁底出現(xiàn)裂縫;由圖5可知,預(yù)應(yīng)力筋作用下梁跨中上撓,隨著外加荷載逐漸增加,梁跨中撓度由上撓轉(zhuǎn)變?yōu)橄聯(lián)?隨后由彈性變形轉(zhuǎn)變?yōu)閺椝苄宰冃?最后到極限荷載狀態(tài),梁破壞。

5 結(jié)語

1)采用分離式建模方式,可以精細(xì)的模擬出預(yù)應(yīng)力混凝土梁型鋼混凝土柱框架結(jié)構(gòu)在各種荷載工況下,各構(gòu)件材料的受力過程,能夠有效的指導(dǎo)工程實(shí)踐及科研試驗(yàn);2)算例分析表明,合理劃分單元及設(shè)置收斂準(zhǔn)則,可以模擬結(jié)構(gòu)受力的非線性全過程。

[1]董建菲,魏 巍,辛 欣.型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的研究發(fā)展及應(yīng)用[J].陜西建筑,2009(2):5-7.

[2]陳海洲,張其林.型鋼混凝土柱中型鋼的板件寬厚比限值[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào),2009,37(5):597-600.

[3]王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M].北京:人民交通出版社,2007.

[4]GB 50010-2002,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5]JGJ 138-2001,型鋼混凝土組合技術(shù)規(guī)程[S].