型鋼高強高性能混凝土梁有限元分析

高榮譽， 張 潔

（安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230022）

1 高強高性能混凝土

高 強 高 性 能 混 凝 土 （High－strength Highperformance Concrete，簡稱HSHPC）是一種新型的混凝土，通過調(diào)整原材料和配合比來滿足更高要求和需求，因此有強度、剛度和抗震性能優(yōu)于普通混凝土的特質(zhì)；它的應(yīng)用范圍更廣，如在超高層、大跨度和承受荷載較大的建筑中經(jīng)常采用到，為混凝土的發(fā)展開辟了一個更好前景。根據(jù)其應(yīng)用，可知如用HSHPC代替一般的混凝土應(yīng)用到實際中，更多的優(yōu)勢表現(xiàn)在截面尺寸、使用年限、經(jīng)濟費用等方面，因此可減少支出，提高效益［1～3］。

高強混凝土強度等級的確定不同國家定義不同，我國是按混凝土強度等級劃分的，強度等級≥C50的混凝土為高強混凝土，超高強混凝土的強度等級不小于C100。高強混凝土不同于普通混凝土主要表現(xiàn)在材質(zhì)上，其特點是水灰比低、成分多，這樣更利于提高密實度增強各成分間的粘結(jié)性能，進而提高強度和耐久性。如在高層建筑中，由于層數(shù)過高，使結(jié)構(gòu)底部受到的壓力很大，采用HSHPC后可有效地減小軸壓比，提高工作性能，同時根據(jù)條件可縮小柱子的截面尺寸，從而擴大空間，使建筑的使用面積增加，減少材料浪費；當(dāng)?shù)撞坎捎酶邚姼咝阅芑炷梁?，可使柱子上下截面尺寸統(tǒng)一，方便模板的安裝，又因HSHPC具有早強、收縮徐變小、彈性模量高等優(yōu)點，可加快工程施工進度，減少柱子的徐變量，使建筑物更能很好地使用。針對那些在特殊環(huán)境（易侵蝕和惡劣的環(huán)境）下的建筑結(jié)構(gòu)就需要HSHPC這種混凝土的密實性好特性，這是很好的選擇。下面具體介紹使用ANSYS建模的操作過程及對SRHSHPC梁研究結(jié)果進行分析［2－4］。

2 型鋼高強高性能混凝土梁ANSYS分析

型鋼高強高性能混凝土梁截面尺寸為160mm×280mm，型鋼采用普通熱軋工字鋼I14，鋼墊板尺寸為160mm×120mm×20mm，型鋼和鋼板均采用Q235鋼，縱筋采用HRB335鋼4Φ12，箍筋均為 HPB300鋼 Φ6＠60，高強高性能混凝土強度采用C80。型鋼與混凝土截面間的剪切連接方式為自然連接。簡支梁受兩個集中荷載作用下的截面圖和梁橫截面尺寸如圖1所示。

圖1 型鋼高強高性能混凝土梁簡圖

2.1 模型單元和材料性質(zhì)

混凝土單元采用Solid65單元［5］，鋼筋采用Link8單元，型鋼和鋼墊板采用Solid45單元，各單元材料性質(zhì)如圖2所示。有限元模型中各單元的具體參數(shù)指標材料列于表1中：

表1

圖2 各單元材料性質(zhì)曲線圖

有限元的分析與建立有限元模型的根本區(qū)別就是，前者是對真實情況的近似，而后者則是模擬真實情況的特征。下面就針對模型的建立進行詳細的敘述。通過前面對型鋼高強高性能混凝土梁材料性質(zhì)的具體說明，將相關(guān)數(shù)據(jù)（單元類型、實常數(shù)以及材料性質(zhì)等）輸入 ANSYS［6～11］程序中，具體內(nèi)容詳見表2。

表2 模型中相關(guān)參數(shù)設(shè)置

2.2 FEM模型的建立

由于此模型是簡支結(jié)構(gòu)，且受到對稱荷載作用，通過建立一半模型，加快收斂速度，最后對稱得到整個模型的受力情況。在建立1/2模型時，由于有三種單元存在，為了結(jié)果相對精確，采用分離式模型，即混凝土、鋼筋和型鋼分開建立。首先創(chuàng)建混凝土和型鋼端截面處相交的關(guān)鍵點，連接關(guān)鍵點形成線，連接線形成面，形成的面通過拉伸命令（Extend）形成體。同時，為了避免應(yīng)力集中現(xiàn)象的發(fā)生，設(shè)置鋼墊板將力均勻分布開，鋼墊板設(shè)置的位置在集中力施加位置處和支座處。根據(jù)型鋼在混凝土中的具體位置，將混凝土沿著型鋼位置進行切分 （VSBW），將混凝土切成不同的體單元，如圖3（a）所示。

圖3 SRHSHPC梁截面切分及網(wǎng)格劃分圖

完成切分后進行網(wǎng)格的劃分，具體網(wǎng)格尺寸如圖3（b）～（d）所示。將體單元賦予不同的屬性，即混凝土、型鋼和鋼墊板對應(yīng)各自的屬性。先進行端截面（Z＝0）位置處網(wǎng)格的劃分，然后通過延伸命令將整個體進行劃分，一般網(wǎng)格劃分尺寸不易過小也不易過大，網(wǎng)格尺寸一般在50～100mm。網(wǎng)格劃分完成后，建立鋼筋單元，鋼筋單元的建立是通過劃分后的節(jié)點連接得到的，通過ESHAPE命令將箍筋和縱筋單元以其直徑尺寸真實表現(xiàn)出來，具體如圖4所示。

圖4 SRHSHPC梁整體劃分圖

2.3 施加荷載與模型求解

在對稱位置處，即Z＝－1320mm處施加對稱約束（SYMM）；Y＝－20mm，Z＝－180mm和Y＝300mm，Z＝－1320mm位置處，分別施加位移約束，具體約束情況詳見圖5所示。為了使模型能夠簡化計算且加快收斂，設(shè)置荷載步為100，平衡迭代次數(shù)為100，收斂準則調(diào)整到5%，求解控制的Basic選項卡設(shè)置完成后，點擊Solve進行求解。模型求解中，采用Newton－Raphson迭代法求解，它是求解非線性方程的線性化方法，ANSYS在求解完成后，并不直接顯示求解結(jié)果，而需要進入后處理器。后處理用于查看分析結(jié)果及結(jié)果的各種處理，以便指導(dǎo)設(shè)計。

圖5 1/2梁荷載施加圖

3 計算結(jié)果與分析

圖6給出了模擬試件彎曲破壞的荷載－撓度曲線。由圖6所示，在梁未出現(xiàn)裂縫前，隨著荷載的增加梁撓度線性增大；當(dāng)試件出現(xiàn)裂縫后，高強高性能混凝土表現(xiàn)出脆性大的特點，裂縫很快擴展，當(dāng)發(fā)展到型鋼部分時被型鋼抑制，裂縫發(fā)展速度相對減慢，曲線沒有明顯轉(zhuǎn)折，近似為線性變化；荷載繼續(xù)增大，裂縫也相繼發(fā)展，撓度也相應(yīng)變大，當(dāng)型鋼腹板開始屈服時，P－f曲線有線性變化到非線性。當(dāng)型鋼屈服繼續(xù)向上延伸到腹板全部屈服后，試件進入塑性發(fā)展階段，且其P－f曲線發(fā)展較為平緩，具有良好的變形性能。

圖6 構(gòu)件跨中荷載－位移曲線圖

圖7 為跨中截面型鋼應(yīng)力與混凝土應(yīng)變分布情況。圖中所示，隨著荷載增加，正應(yīng)力分布由線性關(guān)系發(fā)展為拋物線，最后達到屈服應(yīng)力值；混凝土受壓區(qū)的正應(yīng)力達到混凝土的抗壓強度。

圖7 構(gòu)件跨中部位型鋼應(yīng)力、混凝土應(yīng)變圖

圖8 為型鋼高強高性能混凝土梁應(yīng)力分布云圖。通過此圖可以看出整體梁、混凝土、型鋼及鋼筋在位移荷載的作用下應(yīng)力發(fā)展?fàn)顩r。圖8（a）為型鋼混凝土梁在外荷載作用下的應(yīng)力云圖，在支座位置處表現(xiàn)出應(yīng)力不同；圖8（b）是混凝土應(yīng)力云圖，根據(jù)此圖可看出，混凝土受壓區(qū)受力較大，而受拉區(qū)則變化不大基本為0；圖8（c）是型鋼的應(yīng)力變化情況，跨中受拉區(qū)已達到極限拉應(yīng)力（fy＝317MPa），隨著型鋼高度變化型鋼應(yīng)力慢慢減小，跨中型鋼下翼緣和腹板已開始屈服，而受壓翼緣處未達到極限應(yīng)力，相比翼緣和腹板處表現(xiàn)的較小，符合理論要求；圖8（d）為鋼筋的應(yīng)力云圖，此圖中受拉鋼筋和受壓鋼筋均達到屈服應(yīng)力（fy＝380MPa），箍筋則仍處于工作階段，應(yīng)力還未達到屈服。根據(jù)ANSYS得出應(yīng)力云圖可知，它與實際試驗和理論的情況基本是一致，表明ANSYS軟件模擬的型鋼高強高性能混凝土梁是可行的，此軟件能夠較為準確的表述此構(gòu)件的發(fā)展情況。

圖8 型鋼高強高性能混凝土梁應(yīng)力云圖分布

裂縫特征：圖9所示為模擬梁構(gòu)件的裂縫發(fā)展圖。根據(jù)圖中的裂縫發(fā)展情況，裂縫首先出現(xiàn)在兩個支座之間的位置處即純彎段處，隨著荷載的持續(xù)增加裂縫數(shù)量不斷增多，漸漸發(fā)展到彎剪段處，當(dāng)裂縫出齊后向型鋼受拉翼緣處發(fā)展，由于受到型鋼鋼筋的阻止，其裂縫發(fā)展幾乎出現(xiàn)短暫的停止，豎向裂縫的出現(xiàn)基本不對荷載變形曲線產(chǎn)生影響，即P－f曲線上無明顯轉(zhuǎn)折點；荷載繼續(xù)增加，裂縫繼續(xù)向上發(fā)展，當(dāng)裂縫發(fā)展到型鋼上翼緣位置處時，型鋼與混凝土界面連接位置處，裂縫不僅在增多，裂縫的寬度也在慢慢變大，繼而當(dāng)荷載增大到一定程度后，受彎裂縫間距隨著內(nèi)嵌型鋼和鋼筋的應(yīng)力的增大而減小，且很快趨于穩(wěn)定［12～14］。

圖9 混凝土裂縫主要形態(tài)及發(fā)展過程圖

根據(jù)上圖所示裂縫發(fā)展圖可知，ANSYS模擬的型鋼高強高性能混凝土結(jié)構(gòu)梁與實際試驗梁裂縫發(fā)展過程基本上是相符合的；型鋼高強高性能混凝土梁的受力情況，包括型鋼、鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變［15］，混凝土的應(yīng)力應(yīng)變情況均與實際情況一致，說明ANSYS這款大型模擬軟件在模擬梁構(gòu)件時是可行的。

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