增強型混凝土薄板柱永久模板施工受力特性有限元分析

史彪之

(中鐵四局集團第二工程有限公司，江蘇 蘇州 215131)

永久性模板，亦稱為免拆模板，即在混凝土澆筑時作為模板，混凝土澆筑完成后成為結(jié)構(gòu)構(gòu)件的一部分，不予拆除。在工程中使用永久性模板具有節(jié)能環(huán)保、縮短工期等諸多好處，因此可以促進建筑工業(yè)化的發(fā)展[1-3]。

本文利用ABAQUS有限元軟件，主要分析在施工荷載作用下，采用纖維織物網(wǎng)與鋼板網(wǎng)聯(lián)合增強的混凝土薄板柱永久模板的受力特性，進而確定合理的模板縱向組裝螺栓間距(永久模板通過焊接在柱鋼筋籠上的組裝螺栓進行組裝)和模板的最優(yōu)約束方式。

1 分析模型

1.1 計算模型

建模分析時，設(shè)定模板尺寸為500 mm×1 000 mm，板厚取25 mm，織物網(wǎng)和鋼板網(wǎng)保護層厚度均為5 mm，橫向兩個螺栓離板邊均為50 mm，橫向螺栓間距為400 mm。模板受拉區(qū)為碳/玻纖正交織物網(wǎng)，受壓區(qū)為鋼板網(wǎng)。施加的荷載為柱核心混凝土澆筑時的垂直板面的均布荷載(經(jīng)計算為34.4 kN/m2)。計算模型見圖1。

圖1 計算模型Fig 1 Calculation model

1.2 模型編號及參數(shù)

有限元分析模型是在計算模型的基礎(chǔ)上，建立改變邊界條件和縱向螺栓間距D等因素的6個模型試件，模型的編號和具體參數(shù)見表1。

1.3 材料特性

永久模板的基體為高性能細骨料混凝土，強度等級取C40(抗拉標準值為2.39 MPa)。鋼板網(wǎng)型號為PB0.5(板厚0.5 mm)，不銹鋼304，方形孔(孔徑10 mm×10 mm)，抗拉強度取50.41 MPa?？椢锞W(wǎng)中縱向方向為碳纖維，橫向方向為玻纖，方形孔(孔徑10 mm×10 mm)，纖維的性能參數(shù)見表2。

表1模型件編號及參數(shù)
Table1Number and parameters of model

試件編號邊界條件縱向螺栓間距/mmB1-900B1-700B1-600B1-500螺栓4點約束B1900700600500B2-900短邊螺栓連線約束B2900B3-9004條螺栓連線約束B3900

表2纖維性能參數(shù)
Table2Fiber performance parameters

纖維類型拉伸強度/MPa彈性模量/GPa截面積/mm2伸長率/%碳纖維20912310.452.0玻纖738650.584.5

混凝土本構(gòu)模型按現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50010—2019中所推薦的混凝土損傷彈塑性本構(gòu)關(guān)系曲線[4]，鋼材均為理想的彈塑性二折線模型[5-6]，碳纖維網(wǎng)采用線彈性模型。

2 有限元建模

2.1 創(chuàng)建部件

在創(chuàng)建模塊時，細骨料混凝土選擇的是8節(jié)點線性縮減積分格式的3維實體單元(圖2a)；由于鋼板網(wǎng)、碳纖維、玻纖的長度遠大于它的直徑，且可忽略沿直徑方向的應(yīng)力，因此鋼板網(wǎng)(圖2b)、碳纖維、玻纖采用線單元。將碳纖維和玻纖合并成整體的織物網(wǎng)(圖2c)。

圖2 部件Fig 2 Component

2.2 定義材料和截面屬性

在Property(特性)模塊中，根據(jù)材性試驗實測的數(shù)據(jù)，定義細骨料混凝土、鋼板網(wǎng)、碳纖維和玻纖的力學特性，其中混凝土泊松比采用0.2，鋼板網(wǎng)的泊松比采用0.3，碳纖維的泊松比采用0.307，玻纖的泊松比采用0.22。

2.3 定義分析步/荷載/邊界條件

本文分析步的設(shè)置與實際試驗過程步驟一致：

第一步，初始分析步：定義混凝土模板的邊界條件。將板面上4處螺栓設(shè)為固結(jié)約束(正反面都是)，即6個自由度全部約束，并向后續(xù)分析步傳遞；

第二步，縱向力加載：為了模擬混凝土薄板永久模板在實際澆筑過程中的受力性能，在放入鋼板網(wǎng)的受壓區(qū)施加面荷載。

2.4 定義相互作用

將鋼板網(wǎng)和織物網(wǎng)內(nèi)置于整個模型中。模擬中不考慮各種材料之間的相對滑移，各接觸面上只有力的傳遞，而沒有相對位移。

2.5 劃分網(wǎng)格

因為本次模擬采用工程中的實際尺寸，各部分網(wǎng)格劃分如下：混凝土薄板的網(wǎng)格大小為25 mm(即種子尺寸為0.025 m)，鋼板網(wǎng)和織物網(wǎng)的網(wǎng)格大小為25 mm(即種子尺寸為0.025 m)。網(wǎng)格劃分見圖3。

圖3 網(wǎng)絡(luò)劃分Fig 3 The division of computation mesh

3 有限元模擬結(jié)果與分析

3.1 模擬結(jié)果

模擬得到的部分模型的應(yīng)力云圖見圖4，模型跨中位置的峰值應(yīng)力及峰值位移見表3。

3.2 模擬結(jié)果分析

本次模擬分析主要是考察該類型永久模板強度和剛度能否滿足要求，強度方面主要是將模型跨中受拉區(qū)的峰值應(yīng)力與細骨料混凝土開裂荷載(ftk=2.39 MPa)進行比較，以不開裂為目標，剛度方面主要是將模型跨中峰值位移與規(guī)范規(guī)定的撓度限值(L/400=2.5 mm)進行比較，以不超限為目標。

圖4 部分模型的應(yīng)力云圖Fig 4 Stress nephogram of some models

表3模型跨中位置的峰值應(yīng)力及峰值位移
Table3Peak stress and peak displacement at mid-span of the model

試件編號峰值應(yīng)力/MPa峰值位移/mmB1-9005.47522.03B1-7004.75817.83B1-6002.7898.42B1-5001.4362.16B2-9009.57719.85B3-9000.3781.04

結(jié)合應(yīng)力云圖和表3可知：

直接采用螺栓4點約束的B1組模型，當縱向螺栓間距從900 mm逐漸減小到500 mm時，跨中位置峰值應(yīng)力從5.475 MPa逐漸減小到1.436 MPa，跨中位置峰值位移從22.03 mm逐漸減小到2.16 mm，4個模型中只有B1-500能夠同時滿足強度和剛度要求。另外，模型的最大應(yīng)力均在螺栓約束處，且均遠超細骨料混凝土開裂荷載；模型橫向、縱向的邊緣位置應(yīng)力均大于跨中。

比較B1-900、B2-900、B3-900 3個試件可發(fā)現(xiàn)，縱向螺栓間距D不變的條件下，采用不同的約束方式(邊界條件)，模擬結(jié)果相差較大。采用螺栓4點約束的模型B1-900跨中位置峰值位移最大，采用短邊螺栓連線約束的模型B2-900跨中位置峰值應(yīng)力最大，而采用4條螺栓連線約束的模型B3-900的峰值應(yīng)力和位移均遠小于前兩種，且遠小于細骨料混凝土開裂荷載和柱模板的撓度限值。

4 結(jié)論與建議

針對本次分析，得出如下結(jié)論與建議：

(1)采用螺栓4點約束，隨著縱向螺栓間距的減小，混凝土薄板模型的跨中峰值應(yīng)力與峰值位移均逐漸減小，當間距減小到500 mm時，強度與剛度均能滿足要求；

(2) 采用螺栓4點約束，模型的最大應(yīng)力均在螺栓約束處，且均遠超細骨料混凝土開裂荷載；模型橫向、縱向的邊緣位置應(yīng)力均大于跨中，因此實際施工時，建議對混凝土薄板的螺栓位置和邊緣位置做特殊處理；

(3)文中所述3種約束方式，采用4條螺栓連線約束最優(yōu)，建議實際工程應(yīng)用時采用該類型約束方式。