譚學林
摘 要:為了改善鋼筋混土在使用過程中過早產(chǎn)生裂縫,通過在預制混凝土時,首先對混凝土施加一個預應力,即利用鋼筋本身具有的回縮力,事先將鋼筋在材料區(qū)進行拉拔,保證混凝土受拉區(qū)預先受力。當構件在外荷載作用下產(chǎn)生拉應力時,首先會抵消由鋼筋拉拔產(chǎn)生的預應力,然后隨荷載增加,才能使混凝土受拉出現(xiàn)裂縫,保證構件出現(xiàn)裂縫破壞的時間較晚,提高承載能力。
關鍵詞:預應力;鋼筋;混凝土;數(shù)值模擬
1 模型建立
由于鋼筋混凝土材料具有良好的抗拉和抗剪效果,因此在建筑工程中廣泛應用,它和一般的均質(zhì)材料不同,它是由鋼筋和混凝土兩種材料組合而成,先搭接好鋼筋骨架,配置完善鋼筋數(shù)量,然后對其澆筑混凝土,將鋼筋包裹起來,因此建立結構的有限元模型時需要考慮這一特性。構成鋼筋混凝土結構的有限元模型主要有以下三種類型:
1.1 分離式模型
分離式模型把混凝土和鋼筋兩種材料通過不同單元來模擬,即將混凝土和鋼筋各自劃分為適當大小的單元。因為鋼筋是一種細長材料,其橫向抗剪強度可以不用考慮,這樣,可以將鋼筋作為線形單元處理。
1.2 組合式模型
組合式模型分為分層組合和帶鋼筋膜兩種方式,兩種都是假設鋼筋在整個單元中的排列分布方式是確定的,并假設混凝土與鋼筋兩者之間的接觸較好,不會產(chǎn)生相對滑移現(xiàn)象。
1.3 整體式模型
整體式模型是通過建立理想假設,把單元假定為連續(xù)均勻材料,鋼筋分布于整個單元中,運用理論分析將鋼筋和混凝土兩種材料的作用換算為一種材料,一次求得綜合的單元剛度矩陣。
運用ADINA建模分析預應力混凝土梁是采用3D-solid實體八節(jié)點單元1,對單元定義混凝土材料屬性進行分析,對于實體單元可以分析其在荷載作用下的裂紋、壓碎、塑性、變形及徐變等特性。ADINA對于鋼筋的模擬采用其獨特的rebar單元,這種單元是一種特殊的 truss單元,它可以自行與周圍的節(jié)點進行約束,通常用來模擬錨桿、鋼筋、錨索等鋼筋材料。使用Rebar單元應該注意以下幾點特殊要求:
(1)運算前不生成網(wǎng)格:用戶在使用過程中只需要定義rebar line,不需要對其進行網(wǎng)格的劃分,模型其他設置完成后,即可進行計算,運算完成后系統(tǒng)會自動將定義為rebar line的線生成rebar單元。
(2)計算之后生成rebar的單元節(jié)點和單元位置的確定,是按照rebar line與其交叉的單元來確定。
(3)當rebar-line為曲線的情況下,前處理時需要對其進行網(wǎng)格份數(shù)地劃分,但仍然不需要在前處理生成網(wǎng)格。
2 本構關系
ADINA中提供專門用于混凝土結構分析的混凝土材料模型(Concrete Model),它是根據(jù)非線性彈性理論和斷裂力學理論確定的增量式正交本構理論的混凝土材料模型。運用這種材料模型可以模擬混凝土材料最基本的材料屬性。
混凝土材料單軸應力應變關系圖
混凝土材料多軸應力應變關系圖
3 鋼筋預應力施加
有限元軟件中施加預應力的方法通常有以下三種2方式:
(1)等效力法:施加與預應力等效的集中力或均布力進行加載;
(2)等效應變法:利用應力應變關系式計算出鋼筋的初應變,給預應力鋼筋單元施加一個初始的應變,模擬預應力的作用;
(3)等效降溫法:首先通過對材料的溫度應變系數(shù)的改變,然后運用應力-應變關系推算,在給定的溫差下得到預應力產(chǎn)生的應變等效效果。
4 收斂準則
不同的收斂準則都是針對不同的問題而設定的,因此必須根據(jù)實際分析的問題選擇相應的收斂準則。例如在分析過程中,結構發(fā)生較大的硬化現(xiàn)象,即在較小的結構變形下,會產(chǎn)生較大的外部合荷載,此時不能采用位移收斂準則,因為此時相鄰兩次迭代的位移增量范數(shù)之比跳動較大,系統(tǒng)會把一個本來收斂的問題判定為不收斂;當結構軟化嚴重或材料為理想塑性時,此時結構在較小的荷載作用下會產(chǎn)生極大的變形,因此采用不平衡力收斂準則是錯誤的。根據(jù)實際分析可知在非線性問題中,為防止收斂情況的不理想,采用位移的范數(shù)做收斂判據(jù)較為合適,適當調(diào)整收斂標準,取2%5%都是可以的,如果算開裂問題,還會遇到分叉點問題,就更要放松收斂標準。
5 算例
某預應力工字型混凝土簡支梁,只考慮混凝土彈性受載,梁豎向高度為2000mm,上翼緣高度為200mm,下翼緣高210mm,腹板高1590mm,上翼緣寬度為1920,下翼緣寬度為780,梁長6m,預應力鋼筋選用強鋼筋束,截面為A=6126mm2?;炷翗颂枮镃45,E=33.5GPa,泊松比V=0.2;預應力鋼筋彈性模量E=200GPa,預應力σp=1500MPa,經(jīng)過理論計算可施加的初始應力為0.0075。數(shù)值計算過程中設置位移、應力清零,完全只考慮鋼筋預應力對結構本身的影響。
6 結語
圖1可知工字型截面簡支梁在預應力鋼筋的作用下,工字型梁出現(xiàn)整體起拱的現(xiàn)象。最大的豎向位移變形產(chǎn)生在梁的跨中位置,這個向上的位移,會抵消在梁在外荷載作用下產(chǎn)生的豎向位移變形,圖2可知梁的兩端預應力鋼筋錨固位置會產(chǎn)生應力應變集中現(xiàn)象。
結果表明利用(1)Rebar單元模擬預應力鋼筋,可以保證在鋼筋與周圍包裹的混凝土具有良好粘結效應;(2)通過對Rebar單元施加預應力可以有效改善梁的變形破壞效果,提高其本身的承載能力;(3)Rebar單元在模擬鋼筋,更加接近實際工程情況,保證分析的準確性。
參考文獻
[1] ADINA R&D. ADINA Verification Manual report ARD11-12[M].USA:2011.
[2] 岳戈,陳權.ADINA應用基礎與實例詳解[M].北京:人民交通出版社,2010.