基于ANSYS的Z形截面鋼筋混凝土柱受剪性能研究

楊斌博 李佰壽

0 引言

近些年來,異形柱結構在高層建筑當中的應用越來越廣泛。在《混凝土異形柱結構技術規程》當中,定義異形柱為:截面幾何形狀為L形、T形和十字形,且截面各肢的肢高肢厚比不大于4的柱子[1]。在實際工程當中,為了滿足建筑功能上的需要,Z形柱已經被設計人員廣泛采用,它經常被用作軸線發生偏移時的轉換柱。由于混凝土異形柱規范當中并沒有對Z形柱的說明,使設計人員在設計當中沒有了科學的參考依據。目前,在國內外對Z形柱的性能研究甚少,對Z形柱的仿真研究也非常有限,本文旨在通過對Z形柱在不同軸壓比條件下的非線性有限元分析,來模擬Z形柱的受剪承載力的特點。

1 試件模型介紹

為了研究Z形柱在軸心受壓情況下,柱子正常使用的極限抗剪承載能力,本文建立了5個具有相同截面尺寸,不同軸壓比的有限元模型,對其進行抗剪承載力的非線性有限元模擬。柱子的截面形式見圖1。

本文的模擬數據來源于文獻[2],混凝土立方體抗壓強度為32.4 MPa,鋼材型號為 Q235。縱向鋼筋和水平箍筋均為HPB235。將高為800 mm的Z形截面異形柱,依據試件軸壓比:0.15,0.20,0.25,0.30和 0.35依次編號為Z15,Z20,Z25,Z30和Z35。試件參數及主要結果見表1。

表1 試件參數及主要結果

2 有限元模型的建立

2.1 單元本構關系及破壞準則

本構關系是反映結構受力過程中應力與應變之間的關系,是結構變形和計算中必不可少的依據。鋼筋的本構模型,本文采用理想彈塑性模型見圖2。混凝土采用文獻[4]提供的軸向受壓本構模型見圖3。

在對鋼筋混凝土Z形柱模擬過程中,鋼筋采用線彈性模型(Linear elastic)和雙線性彈性材料(BKIN)模型[3]。混凝土采用參考文獻[4]所定義的本構模型計算,采用了ANSYS程序自帶的Winam-Wamke五參數破壞準則;多線性等向強化模型(M150)。這種破壞準則能較好的預測混凝土材料的破壞,為了計算時更容易收斂關閉壓碎開關。

2.2 單元模型的選用

為了簡化Z形鋼筋混凝土柱的軸心壓力和水平壓力的受力情況,采用了分離式模型,把混凝土和鋼筋作為不同的單元來處理,即混凝土和鋼筋粘結滑移的影響。考慮到鋼筋是一種細長材料,通常可忽略其橫向抗剪強度,因此,采用Link8單元來模擬鋼筋,即將鋼筋作為線形單元來處理。混凝土選用Solid65單元,它是ANSYS中專門用來定義混凝土的單元類型。

3 ANSYS模型的建立及加載求解

3.1 構件模型的建立

ANSYS分析建立模型見圖4。柱高800 mm,截面尺寸如圖1所示。

3.2 加載求解

ANSYS模擬時,參照文獻[2]的試驗方式,對柱子底端施加水平和高度方向的三個約束,對柱頂加軸向荷載,同時對柱身模擬反彎點處施加水平荷載。

ANSYS求解時,采用大變形靜態分析,分為200個子步,采用自動時間步長,每次最大迭代次數是50,求解器選用稀疏矩陣法的非線性方法,以力作為收斂準則,選擇輸出每一步的結果,打開自動時間步長以加速收斂。

4 ANSYS計算結果分析

4.1 軸壓比對水平抗剪承載力的影響

通過對5個不同軸壓比,相同截面尺寸Z形柱的模擬分析,得出以下數據(見表2)。

表2 試驗數據

通過表2可以看出軸壓比的增大,對水平抗剪承載力有顯著的提高。這是因為軸壓比能延緩和限制斜裂縫的出現和發展,改善骨料咬合作用,增大了混凝土的剪壓區高度,使混凝土不易被壓碎,并提高了縱筋的銷栓作用[2]。

從模擬值與試驗極限承載力對比來看,兩個值相差比較大。這是因為在模擬過程中,當水平荷載加大到一定程度時,受壓區混凝土已經發生剪切破壞而失效,而鋼筋并沒有完全屈服,從規范當中,混凝土結構正常使用極限狀態的角度來講,此時已經達到了正常使用狀態下的極限抗剪承載力。而試驗值是在鋼筋完全屈服破壞以后的極限承載力,所以兩個數值有一定的差距。

4.2 軸壓比對破壞形態的影響

通過圖5,圖6對比可以看出:在其他條件相同的情況下,隨著軸壓比的增大,試件斜裂縫與水平方向的銳角夾角逐漸減小,而在Z形截面的腹板上,斜裂縫的主拉應力與水平方向的夾角逐漸增加。可以看出,兩個云圖很好地反映了斜裂縫的開展方向。

4.3 承載力公式的計算比較

文獻[2]通過對試驗結果的回歸分析得出抗剪承載力的計算公式為:

文獻[6]通過對Z形柱低周反復荷載試驗研究得出建議計算公式為:

表3 試驗數據分析

通過表3,將ANSYS模擬出的抗剪承載力值與上述兩公式計算得出的抗剪承載力值進行比較,相差較小,由此可以看出,ANSYS對Z形截面柱的模擬具有一定的可取性。

5 結語

1)通過運用ANSYS有限元分析軟件,對Z形截面鋼筋混凝土柱進行模擬分析,能夠很好的模擬出Z形截面柱的受力特性、變形特征。

2)將模擬得到的抗剪承載力計算值與理論值相比較,較為吻合,說明利用ANSYS來模擬Z形鋼筋混凝土柱是可行、可靠的。

3)在對Z形截面建模分析過程當中,發現合理的劃分網格,正確的設置參數以及約束條件,對ANSYS模擬成功與否,有很重要的影響。

4)目前,有關Z形截面異形柱的研究還不夠完善,承載力公式的提出、不同條件下柱承載力的橫向比較等都需要進一步的研究。

[1] JGJ 149-2006,混凝土異形柱結構技術規程[S].

[2] 毛曉飛,楊俊杰.不同軸壓比條件下Z形截面混凝土柱受剪性能試驗研究[J].浙江工業大學學報,2009,37(2):221-225.

[3] 尚小紅,邱 峰.ANSYS結構有限元高級分析方法與范例應用[M].北京:中國水利水電出版社,2006:36.

[4] 李 圍.ANSYS土木工程應用實例[M].北京:中國水利水電出版社,2005:28.

[5] 曹萬林,王光遠.異形柱框架柱單元的非線性變形計算方法[J].計算力學學報,1997,14(4):435-442.

[6] 李 杰,吳建營,周德源,等.L形和Z形寬肢異形柱低周反復荷載試驗研究[J].建筑結構學報,2002,23(1):9-15.