疊合式雙向板試驗(yàn)與數(shù)值模擬對(duì)比分析

計(jì) 策， 沈小璞

（安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院 安徽 合肥 230601）

1 引言

我國(guó)現(xiàn)階段施工模式主要是依靠工人現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率提高空間不大，隨著勞動(dòng)成本的增加，采取縮短建筑建設(shè)周期的方法，會(huì)大大節(jié)省成本。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)，需要大量的木模板，會(huì)對(duì)環(huán)境造成破壞，而疊合式剪力墻結(jié)構(gòu)能很大程度上節(jié)省模板的使用。混凝土疊合式剪力墻板生產(chǎn)技術(shù)從德國(guó)引進(jìn)，這種將現(xiàn)澆式和裝配式疊合板優(yōu)點(diǎn)集一身的生產(chǎn)技術(shù)滿足了飛速發(fā)展中的建筑行業(yè)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)施工技術(shù)的更高要求，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)的流水化和施工的便捷化［1］。

兩拼式疊合板是預(yù)制部分（兩塊預(yù)制板拼接）以及格構(gòu)鋼筋和現(xiàn)澆部分在界面結(jié)合，形成整體受力的混凝土疊合式雙向板，具有制作速度快，受氣候條件制約小，節(jié)約勞動(dòng)力并可提高建筑質(zhì)量。我國(guó)現(xiàn)階段工程中所使用的疊合式板一般為單向板，對(duì)于疊合式雙向板的研究還基本處于空白階段，此次有限元模擬就是要研究探討這種疊合式雙向板與全現(xiàn)澆雙向板在受力時(shí)的相同和不同點(diǎn)。

2 疊合式雙向板試驗(yàn)簡(jiǎn)介

本次實(shí)驗(yàn)共設(shè)計(jì)6塊雙向板，所有板的尺寸均為4400mm×3300mm×120mm。板的編號(hào)B－1為普通現(xiàn)澆雙向板B－2、B－3、B－4為兩拼疊合式雙向板B－5、B－6為三拼疊合式雙向板。

混凝土:采用C30混凝土材料參數(shù)見表1。

表1 混凝土材料參數(shù)

鋼筋:短跨 Ф6＠150長(zhǎng)跨Ф6＠250，材料參數(shù)見表2。

表2 鋼筋材料參數(shù)

所有板的支撐條件均為放置在250mm寬的剛性梁上，疊合預(yù)制板部分的配筋見圖1所示。

圖1 疊合預(yù)制板部分的配筋

3 ABAQUS有限元數(shù)值模擬

3．1 模擬單元的選擇與材料本構(gòu)關(guān)系

混凝土單元選擇:C3D8R單元，八結(jié)點(diǎn)線性六面體減縮積分單元。

鋼筋單元的選擇:T3D2單元，兩結(jié)點(diǎn)線性三維桁架單元。

ABAQUS所提供的混凝土損傷塑性模型（CDP模型）是依據(jù)Lubliner，Lee與Fenves三人在1998年提出的損傷塑性模型來(lái)確定的，CDP模型是假定混凝土材料主要因拉伸開裂和壓縮破碎而破壞。屈服或破壞面的演化由拉伸等效塑性應(yīng)變和壓縮等效塑性應(yīng)變兩個(gè)變量控制。［2－3］

3．2 模型建立與加載方式

ABAQUS模擬中編號(hào)為:MB－1現(xiàn)澆雙向板；MB－2兩拼疊合式雙向板；MB－3三拼疊合式雙向板。

模型中鋼筋按實(shí)際試驗(yàn)鋼筋位置進(jìn)行布置，用Embedded方式將鋼筋骨架嵌入到混凝土模型中，板下支座位置設(shè)置寬250mm的剛性墊層以模擬試驗(yàn)的邊界約束。板上豎向施加的最大活荷載設(shè)定為30kN／m2，采用均布線性加載方式。

4 撓度、應(yīng)變、裂縫開展等方面比較三種板

4．1 板的撓度分析

從圖2中可以顯示出三種板中心點(diǎn)撓度變化趨勢(shì)相近，在彈性階段三塊板的撓度變化幾乎相同。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果與有限元模擬結(jié)果比較得出:進(jìn)入塑性后現(xiàn)澆雙向板撓度變化最緩慢，即受力情況最好，延性最強(qiáng)；兩拼疊合式雙向板次之；三拼疊合式雙向板撓度最大。從撓度變化的趨勢(shì)上可以得出，兩拼三拼疊合式雙向板受力趨勢(shì)基本與現(xiàn)澆雙向板一樣，剛度上略有不足。但是當(dāng)加載僅達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)荷載與設(shè)計(jì)荷載時(shí)，三種板的撓度差距微小，說(shuō)明此三種板在正常使用階段，受力性能差距不大。（圖2中標(biāo)準(zhǔn)荷載和設(shè)計(jì)荷載是根據(jù)鋼筋配筋由規(guī)范［4］計(jì)算所得出的承載荷載）

圖2 板中心撓度圖

4．2 板底混凝土受拉應(yīng)力分析

從圖3中三種板的板底中心點(diǎn)混凝土的受拉塑性應(yīng)變上看，進(jìn)入塑性時(shí)的荷載大小基本相同，但是MB－3板進(jìn)入塑性最早，MB－1板次之，MB－2最晚進(jìn)入塑性。主要由于MB－2中間有拼縫，使得中心點(diǎn)受力減少。MB－3與MB－1比較，由于2條板縫的存在，板的整體剛度有所減弱，所以比MB－1塑性變化趨勢(shì)要略快些［5］。

圖3 板底混凝土塑性應(yīng)變圖

4．3 板的鋼筋應(yīng)力應(yīng)變分析

從圖4中三種板中心點(diǎn)平行于拼縫方向的鋼筋應(yīng)變上看，在彈性階段，三種板的鋼筋應(yīng)變變化基本相同，但是MB－2的應(yīng)變變化速率要略大于MB－1，但是進(jìn)入塑性階段MB－3板應(yīng)變變化最大，MB－1次之，MB－2最小。這樣的現(xiàn)象說(shuō)明三種板在平行于拼縫處鋼筋的受力情況基本相同，區(qū)別與拼縫的影響，但是拼縫對(duì)此方向上的鋼筋受力影響有限。

圖4 板中心點(diǎn)鋼筋應(yīng)變（平行于拼縫方向）

從圖5中三種板中心點(diǎn)的平行于拼縫方向的鋼筋應(yīng)力上看，MB－3最先開使受力，MB－2次之，MB－1受力最晚，進(jìn)而說(shuō)明拼縫越多，中心點(diǎn)鋼筋受力越大。

圖5 板中心點(diǎn)鋼筋應(yīng)力（平行于拼縫方向）

以下取兩拼疊合式雙向板B－3試驗(yàn)數(shù)據(jù)與MB－2有限元模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，圖6為試驗(yàn)時(shí)所貼的鋼筋應(yīng)力片位置。根據(jù)圖7顯示混凝土中的大部分鋼筋，試驗(yàn)比模擬更早進(jìn)入受力狀態(tài)，而點(diǎn)18為拼縫上方垂直于縫方向的受力鋼筋，從試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果都可以證明拼縫上方垂直于縫方向的鋼筋參與受力，但是與板底層的鋼筋在數(shù)值上進(jìn)行比較，可以得出點(diǎn)18處的鋼筋比底層鋼筋受力要小得多。在進(jìn)入塑性階段時(shí)，中性層開始上移，中縫處的上層沿縫方向鋼筋和底層鋼筋一起參與受力，但是由于拼縫的存在垂直于縫方向的鋼筋無(wú)法通長(zhǎng)，鋼筋僅僅起到連接混凝土作用，由此判斷得出，拼縫處的鏈接鋼筋只要保證錨固長(zhǎng)度即可，參與受力的能力有限［6－7］。

圖6 疊合式雙向板（B－3）鋼筋應(yīng)變片布置

圖7 B－3與MB－2鋼筋應(yīng)變對(duì)比

4．4 板的撓度分析

圖8，9，10分別為現(xiàn)澆雙向板，兩拼和三拼疊合式雙向板的模擬與試驗(yàn)的裂縫開展情況對(duì)比，由結(jié)果對(duì)比可以看出，在現(xiàn)澆雙向板與疊合式雙向板對(duì)比時(shí)，裂縫上的差異僅僅在于兩拼疊合板垂直于拼縫處的裂縫沿著拼縫方向裂縫開展范圍略大于現(xiàn)澆雙向板，而在垂直于拼縫的裂縫并沒有因?yàn)槠纯p的存在而傳遞不過(guò)去，從裂縫開展圖中顯示出垂直于拼縫的裂縫反而很好的穿過(guò)了拼縫，在試驗(yàn)觀察時(shí)，我們清晰的發(fā)現(xiàn)所有被拼縫隔開的裂縫，在對(duì)邊疊合式雙向板的相應(yīng)位置都可以找到傳遞的那條裂縫，這也間接說(shuō)明這種疊合雙向板在受力時(shí)并不因?yàn)槠纯p的隔斷而導(dǎo)致受力無(wú)法傳遞。

從圖8和圖9裂縫開展的走勢(shì)上看，疊合式雙向板與現(xiàn)澆雙向板有著很高的相似度，即從裂縫開展的角度，又一次證明它們的受力情況基本相同，這與撓度上得出的結(jié)論一致。但是從圖10三拼疊合式雙向板上的裂縫開展圖上可以看出，在同一荷載下三拼疊合式雙向板的裂縫開展要快于現(xiàn)澆雙向板與兩拼疊合式雙向板，雖然從撓度數(shù)值上顯示它們之間的撓度差別不大，但三拼疊合式雙向板在裂縫控制上應(yīng)該比以上兩種板更加嚴(yán)格［8－9］。

圖8 現(xiàn)澆雙向板裂縫開展?fàn)顩r（數(shù)值模擬與試驗(yàn)對(duì)比）

圖9 兩拼疊合式雙向板裂縫開展?fàn)顩r（數(shù)值模擬與試驗(yàn)對(duì)比）

圖10 三拼疊合式雙向板裂縫開展?fàn)顩r（數(shù)值模擬與試驗(yàn)對(duì)比）

5 結(jié)論與建議

（1）由三種板的試驗(yàn)與有限元模擬分別得出的撓度曲線圖對(duì)比結(jié)果，說(shuō)明這三種板在正常使用荷載下?lián)隙仁谴笮缀跸嗤?，區(qū)別主要體現(xiàn)在屈服階段，由于拼縫的存在使局部剛度有所改變，對(duì)板的整體延性有一定的影響，但是在板的正常使用階段和現(xiàn)澆雙向板受力性能上沒有顯著差別，所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)可采用雙向板的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（2）綜合這三種板的撓度、應(yīng)力、應(yīng)變等相關(guān)力學(xué)指標(biāo)，得出兩拼、三拼疊合式雙向板和現(xiàn)澆式雙向板的受力情況并無(wú)顯著區(qū)別，在正常使用階段設(shè)計(jì)可以等效替代。

（3）從裂縫開展的角度對(duì)比，三拼疊合式雙向板比另外兩種板裂縫開展的較快，裂縫范圍也較大，所以如果是工程中的應(yīng)用應(yīng)該謹(jǐn)慎處理，加強(qiáng)裂縫控制，或者少用三拼疊合式雙向板。

（4）實(shí)際工程中這種疊合式雙向板分布有格構(gòu)鋼筋，此次模擬試驗(yàn)忽略了格構(gòu)鋼筋對(duì)板剛度的加強(qiáng)，這種格構(gòu)鋼筋對(duì)混凝土有著一定的約束作用，對(duì)板的整體承載力也有部分提高作用，在以后的研究中可以深入探討。

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9 郝淑英，劉秀英，張琪昌．鋼筋混凝土雙向板有限元分析［J］．天津理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，24（2）:56－58．