結構實驗室反力墻受力性能有限元分析

許啟鏗 袁慶利 周志耀

摘 要

結構實驗室反力墻是對大型結構與構件進行結構實驗重要平臺，其結構受力較為復雜，需要對其受力性能開展研究。本文用有限元軟件ABAQUS，對結構實驗室的反力墻的受力性能進行了有限元分析，獲得了在設計荷載作用下的反力墻頂部最大位移、鋼筋及混凝土應力分布情況，結果都小于規范值，表明反力墻剛度較大，設計偏于保守。本文結果可以為結構實驗室反力墻的設計、施工、后期試驗及同類工程的設計提供參考。

關鍵詞

結構實驗室;反力墻;有限元分析;受力性能;剛度

中圖分類號： TU765 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A

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

0 引言

隨著國家基礎設施和工程建設不斷發展，大型、超級工程及新型的結構與構件不斷出現，使得土木工程領域的各個大學和科研院所重點建設大型結構實驗室及其反力墻的越來越多。結構實驗室反力墻是對大型結構與構件進行結構實驗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，還可以為大型結構或構件的各種實驗提供反力支撐，然而反力墻的受力復雜，反力墻的設計參考文獻較少，目前還沒有專門針對反力墻設計的規范和軟件，通過有限元分析是十分必要的，分析結果可以為反力墻的結構計算提供依據。

本文以河南工業大學結構實驗室反力墻為研究對象，依據其設計與建設過程，采用ABAQUS軟件對結構實驗室反力墻的受力性能進行有限元分析，旨在補充完善反力墻的結構設計方法。

1 工程概況

河南工業大學土木建筑學院結構試驗大廳的主反力墻長12m，寬4.2m，兩側的墻肋混凝土厚度各為0.6m，采用后張無黏結預應力混凝土，預應力鋼筋采用1860級Φs15.2無黏結預應力鋼絞線，結構設計單孔抗拔荷載500kN，采用C40混凝土。

2 有限元建模

2.1 參數設定

（1）單位：長度：mm，力：N，質量：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，抗壓強度：215MPa;

（4）預應力鋼筋：彈性模量：1.95×105MPa，泊松比：0.3，采用1860級Φs15.2無黏結預應力鋼絞線，抗拉強度：1320mm2，截面面積：139mm2，膨脹系數：α=1.2×10-5/℃。

2.2 本構模型

（1）混凝土：應力-應變關系曲線依照《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010）[1]。

（2）鋼材模型：選用雙線性隨動強化模型來模擬受力鋼筋和預應力鋼絞線的應力應變關系。

2.3 單元選取與模型建立

混凝土采用實體solid單元來建立模型，為實體單元（C3D20）二次縮減積分;角鋼采用一階三維梁單元（B31）;鋼筋與預應力筋選取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，由于加載孔網格劃分復雜，單元數量大，因此，采用混凝土削弱后的等效抗拉強度模擬反力墻，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）預應力模型建立：預應力筋為T3D2 Truss單元，預應力采用降溫法實現，模型如圖5所示。

2.4 單元劃分

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

2.5 加載與計算

分解3個荷載步，包含自重荷載施加、預應力施加和水平荷載作用施加，水平荷載大小和作用點根據設計確定。

2.5.1 邊界條件

對混凝土單元底部所有方向位移進行約束。相關文獻[6]中，獲得下部結構與反力墻的等效側移剛度比為1.56，比《高層建筑箱形與筏形基礎技術規范》中相應比值1.5大，反力墻底部采用固結方式。

3 有限元結果與分析

通過有限元計算，其結果如下：

3.1 整體變形

由通過圖8可以發現，反力墻側向位移最大為3.384mm，側向位移最大點在頂部。頂部到底部，側向位移不斷減小，反力墻底部采用固結形式，于是底部側向位移為零。

3.2 鋼筋應力

由圖9、圖10可以得到，橫向鋼筋最大應力為4.842 MPa，最大應力位置出現在底部固結點區域，豎向鋼筋最大應力為32.10 MPa，最大應力位置出現在底部固結點端部。

3.3 混凝土應力圖

由圖11可知，混凝土的最大應力為9.530 MPa，最大應力在底部固結點處。

4 結語

本文利用ABAQUS軟件對結構實驗室反力墻受力性能進行了分析，得到了反力墻側向位移的最大值為3.384mm，小于反力墻的設計計算值4.6mm，滿足設計要求的最大側向位移7.1mm，反力墻的整體剛度偏大，說明設計偏于保守。本文結果可以為結構實驗室反力墻的設計、施工、后期試驗及同類工程的設計提供參考。

參考文獻

[1]中華人民共和國建設部.GB50010-2010，《混凝土結構設計規范》[S].北京：中國建筑工業出版社，2011.

[2]王玉鐲，傅傳國.ABAQUS結構工程分析及實例詳解[M].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[3]石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析實例詳解[M].北京：機械工業出版社，2006.

[4]王德玲，沈疆海.反力墻實驗系統的靜力有限元分析[J].長江大學學報（自然科學版），2008，5（2）：123-126.

[5]劉勁松，劉紅軍.ABAQUS鋼筋混凝土有限元分析[J].裝備制造技術，2009，2.

[6]萬宇.新疆大學結構實驗室X方向反力墻有限元分析[D].碩士學位論文，烏魯木齊：新疆大學，2008.