結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室反力墻受力性能有限元分析

許啟鏗 袁慶利 周志耀

摘 要

結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室反力墻是對大型結(jié)構(gòu)與構(gòu)件進(jìn)行結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)重要平臺，其結(jié)構(gòu)受力較為復(fù)雜，需要對其受力性能開展研究。本文用有限元軟件ABAQUS，對結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室的反力墻的受力性能進(jìn)行了有限元分析，獲得了在設(shè)計(jì)荷載作用下的反力墻頂部最大位移、鋼筋及混凝土應(yīng)力分布情況，結(jié)果都小于規(guī)范值，表明反力墻剛度較大，設(shè)計(jì)偏于保守。本文結(jié)果可以為結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室反力墻的設(shè)計(jì)、施工、后期試驗(yàn)及同類工程的設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞

結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室;反力墻;有限元分析;受力性能;剛度

中圖分類號： TU765 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 08 . 52

0 引言

隨著國家基礎(chǔ)設(shè)施和工程建設(shè)不斷發(fā)展，大型、超級工程及新型的結(jié)構(gòu)與構(gòu)件不斷出現(xiàn)，使得土木工程領(lǐng)域的各個大學(xué)和科研院所重點(diǎn)建設(shè)大型結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室及其反力墻的越來越多。結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室反力墻是對大型結(jié)構(gòu)與構(gòu)件進(jìn)行結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)不可或缺的硬件平臺，反力墻不僅可以提供施加水平作用力的平臺，還可以為大型結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的各種實(shí)驗(yàn)提供反力支撐，然而反力墻的受力復(fù)雜，反力墻的設(shè)計(jì)參考文獻(xiàn)較少，目前還沒有專門針對反力墻設(shè)計(jì)的規(guī)范和軟件，通過有限元分析是十分必要的，分析結(jié)果可以為反力墻的結(jié)構(gòu)計(jì)算提供依據(jù)。

本文以河南工業(yè)大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室反力墻為研究對象，依據(jù)其設(shè)計(jì)與建設(shè)過程，采用ABAQUS軟件對結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室反力墻的受力性能進(jìn)行有限元分析，旨在補(bǔ)充完善反力墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。

1 工程概況

河南工業(yè)大學(xué)土木建筑學(xué)院結(jié)構(gòu)試驗(yàn)大廳的主反力墻長12m，寬4.2m，兩側(cè)的墻肋混凝土厚度各為0.6m，采用后張無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土，預(yù)應(yīng)力鋼筋采用1860級Φs15.2無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)單孔抗拔荷載500kN，采用C40混凝土。

2 有限元建模

2.1 參數(shù)設(shè)定

（1）單位：長度：mm，力：N，質(zhì)量：Kg，彈性模量：MPa;

（2）混凝土：C40混凝土，泊松比0.2，彈性模量：3.25×104MPa，抗壓強(qiáng)度：19.1MPa，密度為：2.4×10-6Kg/mm3;

（3）鋼筋：彈性模量：1.9×105MPa，泊松比：0.3，密度：7.8×10-6Kg/mm3，抗壓強(qiáng)度：360MPa;Q235鋼的材料屬性：彈性模量：2.05×105MPa，泊松比：0.25，密度：7.85×10-6Kg/mm3，抗壓強(qiáng)度：215MPa;

（4）預(yù)應(yīng)力鋼筋：彈性模量：1.95×105MPa，泊松比：0.3，采用1860級Φs15.2無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，抗拉強(qiáng)度：1320mm2，截面面積：139mm2，膨脹系數(shù)：α=1.2×10-5/℃。

2.2 本構(gòu)模型

（1）混凝土：應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線依照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2010）[1]。

（2）鋼材模型：選用雙線性隨動強(qiáng)化模型來模擬受力鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼絞線的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。

2.3 單元選取與模型建立

混凝土采用實(shí)體solid單元來建立模型，為實(shí)體單元（C3D20）二次縮減積分;角鋼采用一階三維梁單元（B31）;鋼筋與預(yù)應(yīng)力筋選取T3D2 Truss單元。

（1）混凝土模型建立：反力墻上的加載孔面積占比為1.5%，孔洞面積較小，考慮建模需要，由于加載孔網(wǎng)格劃分復(fù)雜，單元數(shù)量大，因此，采用混凝土削弱后的等效抗拉強(qiáng)度模擬反力墻，混凝土模型如圖1所示。

（2）鋼筋模型的建立：反力墻的墻身鋼筋采用桁架的方法建模[2-3]，墻洞中鋼筋采用rebar layer 的方法建模，鋼筋骨架模型如圖2所示。

（3）角鋼模型建立：反力墻中加載孔與混凝土的黏結(jié)性能和定位精度要求高，考慮特殊工藝，需大量角鋼或槽鋼以便焊接固定（圖3），確保位置準(zhǔn)確。角鋼為L70×70×6等邊角鋼，模型中角鋼采用梁單元，角鋼模型如圖4所示。

（4）預(yù)應(yīng)力模型建立：預(yù)應(yīng)力筋為T3D2 Truss單元，預(yù)應(yīng)力采用降溫法實(shí)現(xiàn)，模型如圖5所示。

2.4 單元劃分

為了防止應(yīng)力集中，混凝土劃分單元時最小尺寸應(yīng)不小于50mm[4-5]，通過試算，選用單元尺寸為200mm，網(wǎng)格劃分模型如圖6所示。

2.5 加載與計(jì)算

分解3個荷載步，包含自重荷載施加、預(yù)應(yīng)力施加和水平荷載作用施加，水平荷載大小和作用點(diǎn)根據(jù)設(shè)計(jì)確定。

2.5.1 邊界條件

對混凝土單元底部所有方向位移進(jìn)行約束。相關(guān)文獻(xiàn)[6]中，獲得下部結(jié)構(gòu)與反力墻的等效側(cè)移剛度比為1.56，比《高層建筑箱形與筏形基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范》中相應(yīng)比值1.5大，反力墻底部采用固結(jié)方式。

3 有限元結(jié)果與分析

通過有限元計(jì)算，其結(jié)果如下：

3.1 整體變形

由通過圖8可以發(fā)現(xiàn)，反力墻側(cè)向位移最大為3.384mm，側(cè)向位移最大點(diǎn)在頂部。頂部到底部，側(cè)向位移不斷減小，反力墻底部采用固結(jié)形式，于是底部側(cè)向位移為零。

3.2 鋼筋應(yīng)力

由圖9、圖10可以得到，橫向鋼筋最大應(yīng)力為4.842 MPa，最大應(yīng)力位置出現(xiàn)在底部固結(jié)點(diǎn)區(qū)域，豎向鋼筋最大應(yīng)力為32.10 MPa，最大應(yīng)力位置出現(xiàn)在底部固結(jié)點(diǎn)端部。

3.3 混凝土應(yīng)力圖

由圖11可知，混凝土的最大應(yīng)力為9.530 MPa，最大應(yīng)力在底部固結(jié)點(diǎn)處。

4 結(jié)語

本文利用ABAQUS軟件對結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室反力墻受力性能進(jìn)行了分析，得到了反力墻側(cè)向位移的最大值為3.384mm，小于反力墻的設(shè)計(jì)計(jì)算值4.6mm，滿足設(shè)計(jì)要求的最大側(cè)向位移7.1mm，反力墻的整體剛度偏大，說明設(shè)計(jì)偏于保守。本文結(jié)果可以為結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室反力墻的設(shè)計(jì)、施工、后期試驗(yàn)及同類工程的設(shè)計(jì)提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1]中華人民共和國建設(shè)部.GB50010-2010，《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[2]王玉鐲，傅傳國.ABAQUS結(jié)構(gòu)工程分析及實(shí)例詳解[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[3]石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析實(shí)例詳解[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[4]王德玲，沈疆海.反力墻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的靜力有限元分析[J].長江大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2008，5（2）：123-126.

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[6]萬宇.新疆大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室X方向反力墻有限元分析[D].碩士學(xué)位論文，烏魯木齊：新疆大學(xué)，2008.