預應力型鋼混凝土柱框架結構數值模擬

劉秀華 于春海

1 概述

型鋼混凝土柱較普通鋼筋柱具有剛度大、承載力高、斷面尺寸小及抗震性能好等優點。帶預應力鋼筋的混凝土梁較普通混凝土梁相比能夠顯著改善結構正常使用極限狀態的限制。為此,將預應力混凝土梁和型鋼混凝土柱相結合的新型結構具有廣闊的應用前景[1,2]。

2 有限元模型

1)整體式模型:把單元視為連續均質材料,將鋼筋彌散于單元中。鋼筋對整個結構的作用通過調整單元的材料力學性能來體現。整體式模型可采用ANSYS中各種平面單元或三維單元。這種單元的精度很低,它無法揭示鋼筋和混凝土之間作用的微觀機理;2)組合式模型:組合式模型介于分離式模型和整體式模型之間,不能考慮混凝土和鋼筋間的粘結滑移。在單元分析時,分別計算混凝土和鋼筋對單元剛度的貢獻,組成一個復合的單元剛度矩陣。這種模型處理裂縫的方式為分布型裂縫。直接利用Solid65提供的實參數建模,其優點是建模方便,分析效率高,而缺點是不適用于鋼筋分布較不均勻的區域,且得到鋼筋內力比較困難。主要用于有大量鋼筋且鋼筋分布較均勻的構件中,譬如剪力墻或樓板結構;3)分離式模型:將混凝土和鋼筋分別劃分成足夠小的單元,按照混凝土和鋼筋不同的力學性能選取不同的單元類型。分離式模型又分為兩種:位移協調:不考慮粘結滑移,利用空間桿單元Link8建立鋼筋模型和混凝土單元共用節點。其優點是建模比較方便,可以任意布置鋼筋并可直接獲得鋼筋的內力。缺點是建模比整體式模型要復雜,需要考慮共用節點的位置,且容易出現應力集中而拉壞混凝土的問題,從而導致收斂問題;位移不協調:考慮粘結滑移,需引入粘結單元(ANSYS中,通常利用非線性彈簧單元Combin39,這種單元沒有實際尺寸,只需布置在混凝土和鋼筋的共用節點之間)。一般來說,鋼筋混凝土結構中鋼筋和混凝土之間都有比較良好的錨固,鋼筋和混凝土之間滑移帶來的問題不是很嚴重,一般不必考慮。

3 建模所選單元

1)混凝土單元。ANSYS的Solid65單元是專為混凝土、巖石等抗壓能力遠大于抗拉能力的非均勻材料開發的單元。它可以模擬混凝土中的加強鋼筋,以及材料的拉裂和壓潰現象。它是在三維8節點等單元Solid45的基礎上,增加了針對混凝土的性能參數和組合式鋼筋模型,采用多線性等向強化模型。其本構關系采用現行GB 50010-2002混凝土結構設計規范[4]建議的兩段式模型。破壞準則為5參數Willam-Warnke破壞準則。2)鋼筋單元。Link8單元是一種三維單軸拉—壓單元,每個節點具有三個自由度:XYZ軸向位移。它不具有抗彎能力,沒有抗彎剛度,但是具有塑性、蠕變、膨脹等非線性特性。本文模型中采用Link8單元模擬普通鋼筋及預應力鋼筋,本構模型采用理想彈塑性模型。3)型鋼單元。Shell181為4節點殼單元,該單元可以支持線性分析、材料塑性、硬化剛度、大應變和大變形分析,適合分析薄板及中厚板殼結構。

4 算例分析

一型鋼混凝土柱預應力混凝土梁框架結構,跨度8.4 m,柱高1.61 m,梁柱截面尺寸如圖1所示。混凝土為C35,泊松比為0.2;箍筋為HPB235級,縱筋為HRB335級,預應力筋采用φs15.2高強低松弛鋼絞線,抗拉強度標準值為1 860 MPa,張拉控制應力0.75fptk,采用應變方式施加預應力;柱中型鋼為Q235Ⅰ280×122×8.5×13.7[5]。

加載墊塊及預應力筋錨具采用Solid45單元來模擬。混凝土為Solid65單元,模型如圖 2所示,型鋼采用Shell181模型如圖3所示。

普通鋼筋及預應力鋼筋采用Link8單元。

有限元分析采用三分點加載模式,Solid65單元設置中張開與閉合滑移面的剪切強度縮減系數分別為0.5,0.95,關閉壓碎。荷載分步施加,由FCUM命令控制逐步累加荷載。跨中梁底混凝土荷載—應力曲線及荷載—撓度曲線如圖4,圖5所示。

由圖4可知預應力筋作用下,梁底跨中混凝土受壓,隨著外加荷載逐漸增加,梁底混凝土由受壓狀態轉變為受拉狀態,在荷載達到120 kN左右時梁底出現裂縫;由圖5可知,預應力筋作用下梁跨中上撓,隨著外加荷載逐漸增加,梁跨中撓度由上撓轉變為下撓,隨后由彈性變形轉變為彈塑性變形,最后到極限荷載狀態,梁破壞。

5 結語

1)采用分離式建模方式,可以精細的模擬出預應力混凝土梁型鋼混凝土柱框架結構在各種荷載工況下,各構件材料的受力過程,能夠有效的指導工程實踐及科研試驗;2)算例分析表明,合理劃分單元及設置收斂準則,可以模擬結構受力的非線性全過程。

[1]董建菲,魏 巍,辛 欣.型鋼混凝土結構的研究發展及應用[J].陜西建筑,2009(2):5-7.

[2]陳海洲,張其林.型鋼混凝土柱中型鋼的板件寬厚比限值[J].同濟大學學報,2009,37(5):597-600.

[3]王新敏.ANSYS工程結構數值分析[M].北京:人民交通出版社,2007.

[4]GB 50010-2002,混凝土結構設計規范[S].

[5]JGJ 138-2001,型鋼混凝土組合技術規程[S].