型钢高强高性能混凝土梁ANSYS数值模拟分析

来源:用户上传      作者:

　　【摘要】以8榀承受集中荷载的不同混凝土强度等级和剪跨比的实腹式型钢高强高性能混凝土简支梁的受力性能试验为基础，通过ANSYA程序对其进行非线形有限元数值模拟分析，将有限元分析结果与梁构件的实测相关数据进行比较，验证通用有限元分析程序ANSYS对型钢混凝土构件受力过程的数值模拟是否可行；在此基础上进一步分析组合梁的受力机理和力学性能。通过ANSYS程序单元库中非线形弹簧单元combination-39组成的三维连接单元模拟型钢高强高性能混凝土在不同部位及不同方向上的界面相互作用，考察了粘结滑移对构件力学性能的影响以及其各组件变形、裂缝和应力应变的分布和发展规律。
　　【关键词】型钢高强高性能混凝土梁；数值模拟；粘结滑移；非线形有限元分析
　　
　　型钢混凝土结构综合了钢结构与混凝土结构的优点，能够满足现代结构对功能与性能等多方面的要求，具有显著的经济效益和社会效益；但其计算理论尚不完善，通过实验研究来掌握构件性能，不仅耗资巨大且试验数据有时存在很大的离散性。为了更全面准确的了解和掌握型钢高强高性能混凝土结构构件的受力性能，可借助有限元方法进行数值模拟分析。梁是结构中最重要的横向承重构件，以8榀不同剪跨比和混凝土强度等级的型钢高强高性能混凝土梁试验为基础，借助ANSYS对其受力性能进行深入研究。
　　1 型钢高强高性能混凝土梁试件参数
　　
　　图1 梁截面尺寸示意图
　　
　　表1 梁构件参数表
　　试件编号 混凝土强度 /MPa
　　型钢 剪跨比 荷载类型 含钢率
　　1 81.8 Ⅰ14+60×10 1.0 1个集中荷载 6.14%
　　2 81.8 Ⅰ14+60×10 1.5 1个集中荷载 6.14%
　　3 81.8 Ⅰ14+60×10 2.0 2个集中荷载 6.14%
　　4 81.8 Ⅰ14+60×10 2.5 2个集中荷载 6.14%
　　5 81.8 Ⅰ14+60×10 3.0 2个集中荷载 6.14%
　　6 81.8 Ⅰ14+60×10 1.5 1个集中荷载 6.14%
　　7 71.9 Ⅰ14+60×10 1.5 1个集中荷载 6.14%
　　8 89.1 Ⅰ14+60×10 1.5 1个集中荷载 6.14%
　　型钢Q235/纵筋HRB335 4φ12/箍筋HPB235φ6@60/（0.48%）
　　
　　
　　试验中型钢混凝土梁截面尺寸为160mm×280mm，在工字钢下翼缘处贴焊截面尺寸为60mm×10mm的钢板，试件配箍率为0.48%，在梁端部设置少量剪力连接件，剪力连接件全部采用φ12钢筋焊件。试件截面尺寸试件参数见图1和表1。
　　2 材料、单元模型及网格划分
　　2.1 材料模型
　　在型钢高强高性能混凝土梁的数值模拟中，型钢和钢支座垫板的材料模型可采用多折线性随动强化模型（MKIN），单轴应力应变关系采用多折线型；纵筋和横向箍筋采用双折线的等强硬化模型（BKIN），单轴应力-应变关系为理想弹塑性模型。对于混凝土材料，在单调加载时，其单轴受压应力应变关系可采用Saenz 模型，并按照非线性弹性材料模型（MELAS材料模型）输入，该模型能较好反映混凝土应力-应变曲线下降段。混凝土破坏准则采用ANSYS 程序中的William-Warnke 五参数破坏准则。
　　2.2 单元模型
　　在单元选择方面，ANSYS中有专门用于钢筋混凝土结构的Solid65单元及Concrete材料， Solid65单元为8节点6面体单元，是无中间结点的一次单元，可通过定义3个方向的配筋率考虑3个方向的钢筋，Concrete材料可通过选取非线性模型考虑塑性变形和徐变。当Solid65单元同时考虑开裂和压碎时，需缓慢施加荷载，一般情况下，可关闭Solid65 单元的压碎功能，即将混凝土单轴受压强度设为-1，否则计算较难收敛。型钢和钢支座垫板采用Solid45 单元模拟，为三维实体结构单元，该单元可进行弹性、塑性、徐变、应力硬化以及大变形等相关分析；纵筋和箍筋采用Pipe20 单元，它不仅可以承受拉、压，而且能够同时承受弯曲和扭转荷载，并可考虑钢筋的销栓作用，能够直接绘制钢筋主应力和等效应力云图。由于型钢与混凝土之间的粘结滑移是一种复杂的交互作用，是型钢界面的混凝土中因裂缝形成和发展的结果，故分析中引入非线性弹簧单元Combination39，该单元的节点I、J可为空间任意节点，弹簧长度可为零，因此可通过控制网格划分使型钢和混凝土在需要的坐标位置产生相应节点，以便建立长度为零的弹簧单元。型钢混凝土粘结滑移本构关系由非线性弹簧单元Combination39 的实常数F-D 曲线来体现。
　　3 ANSYS建模和求解
　　根据试件几何形状和加载的对称性，取试件梁的1/2进行建模，在对称面采用对称约束。通过模型中相关参数设置，即通过分析类型、单元类型、实常数、材料性质以及型钢混凝土之间的非线性弹簧单元所对应的实常数F-D 曲线确定以后，结合构件截面特点可采用直接生成法进行建模，即通过创建节点、复制节点产生整个模型节点，随后连接相关节点形成不同单元，具体是首先对所有结点均生成一次非线性弹簧单元（腹板两侧弹簧单元对应面积为1/2 的方格面积，其余均为1/4 的方格面积），然后对中结点复制再次生成非线性弹簧单元，最后将边节点非线性弹簧单元向中间区段进行一次复制，则形成能够反映粘结滑移弹簧单元对应面积大小的非线性弹簧单元。该法可实现对构件每个节点和单元的完全控制。为了避免混凝土局部受压破坏，在集中力和支座处各加一块钢垫板。
　　模型求解中，采用Newton-Raphson迭代法求解单元的刚度矩阵，设定加载子步数为200，结果输出频率为Write every substep，在Nonlinear选项中设置对大循环次数为50，打开线性搜索、预测器和大变形开关。
　　4 计算结果分析
　　对所建模型施加位移约束和力荷载，设定计算控制参数和计算步骤，得到相关的计算结果，包括开裂荷载、极限荷载以及极限荷载所对应的跨中挠度，计算时分为考虑粘结滑移和不考虑粘结滑移两种情况。
　　计算结果表明：考虑粘结滑移的开裂荷载和不考虑粘结滑移的开裂荷载接近，均比试验结果低，其原因可能是由于梁开裂时的裂缝和荷载较小，不易准确观测，且有限元计算模型和试验本身也存在一定偏差；考虑粘结滑移的极限荷载比不考虑粘结滑移的极限荷载要低，但与试验值更为接近，绝对误差在10%以内，效果较理想；考虑粘结滑移和不考虑粘结滑移的极限荷载对应的跨中挠度都比试验结果小，表明ANSYS分析过程中，构件的整体刚度比实验构件的要大。考虑粘结滑移的计算曲线与不考虑粘结滑移的计算曲线相比，曲线的上升段比较接近，但曲线对应的极限荷载较低，对应的挠度稍有增加，曲线的整体刚度有一定降低。在荷载作用初期，荷载-变形曲线明显呈线性变化，曲线斜率相对比较大，构件处于弹性工作阶段；随着荷载的增加，梁底混凝土开裂，荷载-变形曲线斜率减小，说明混凝土的开裂对梁的刚度产生了一定影响，并且梁中的受拉钢筋和型钢下翼缘出现屈服，此阶段构件处于弹塑性工作阶段；荷载继续增加，荷载-变形曲线开始明显弯曲，出现了变形增长速度大于荷载增长速度，并逐渐出现了荷载不再增加，而变形加大，此时整个构件进入塑性工作阶段。钢筋和型钢应力发展过程曲线可知受拉主筋首先屈服，接着受拉区型钢翼缘屈服，然后是受压区的纵筋屈服，受压区型钢翼缘未达到屈服；试件的破坏是由受压区混凝土破坏控制。当达到极限荷载，相应的受拉区主筋、型钢翼缘和受压区主筋、型钢翼缘应力均下降到保持一定水平。跨中截面的正应力随着荷载增加，跨中截面的正应力分布由直线向抛物线发展，最终受压区边缘混凝土的正应力达到混凝土的抗压强度。ANSYS计算得出的裂缝分布基本上能够反映试验构件的裂缝位置、出现的先后顺序及裂缝的大致发展高度，但对裂缝的间距和宽度却较难体现。
　　5 结论
　　试验与有限元分析的对比结果可知，在加载后期型钢与混凝土之间总会发生滑移，抗剪连接件的设置并不能延缓型钢和混凝土之间产生滑移，也不能有效提高型钢混凝土构件的刚度，但在一定程度上可以减小极限滑移值。ANSYS分析显示数值模拟比实际受力情况中梁的整体刚度大；型钢、纵筋、箍筋以及混凝土单元应力、应变分布及发展过程数值模拟结果与试验结果和理论分析结果吻合较好；非线性弹簧单元Combination39 的采用，除了对裂缝的间距和宽度却较难体现外，在一定程度上能够较好实现型钢混凝土粘结滑移非线形数值模拟。
　　参考文献：
　　[1]邓国专. 型钢混凝土结构粘结滑移性能试验研究与基本理论分析[D]. 西安: 西安建筑科技大学，2004.
　　[2]王连广，钢与混凝土组合结构理论与计算，北京，科技出版社，2005.
　　[3]郑山锁，邓国专，杨勇，俞茂宏，张俊峰. 型钢混凝土结构粘结滑移性能试验研究[J]. 工程力学，2003，20(5): 63-69.
　　[4]朱伯龙、董振祥，钢筋混凝土非线形分析[M]，上海，同济大学出版社，1985.

转载注明来源:https://www.xzbu.com/2/view-653847.htm