结构实验室反力墙受力性能有限元分析
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摘 要
结构实验室反力墙是对大型结构与构件进行结构实验重要平台，其结构受力较为复杂，需要对其受力性能开展研究。本文用有限元软件ABAQUS，对结构实验室的反力墙的受力性能进行了有限元分析，获得了在设计荷载作用下的反力墙顶部最大位移、钢筋及混凝土应力分布情况，结果都小于规范值，表明反力墙刚度较大，设计偏于保守。本文结果可以为结构实验室反力墙的设计、施工、后期试验及同类工程的设计提供参考。
关键词
结构实验室;反力墙;有限元分析;受力性能;刚度
中图分类号： TU765 文献标识码： A
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 08 . 52
0 引言
随着国家基础设施和工程建设不断发展，大型、超级工程及新型的结构与构件不断出现，使得土木工程领域的各个大学和科研院所重点建设大型结构实验室及其反力墙的越来越多。结构实验室反力墙是对大型结构与构件进行结构实验不可或缺的硬件平台，反力墙不仅可以提供施加水平作用力的平台，还可以为大型结构或构件的各种实验提供反力支撑，然而反力墙的受力复杂，反力墙的设计参考文献较少，目前还没有专门针对反力墙设计的规范和软件，通过有限元分析是十分必要的，分析结果可以为反力墙的结构计算提供依据。
本文以河南工业大学结构实验室反力墙为研究对象，依据其设计与建设过程，采用ABAQUS软件对结构实验室反力墙的受力性能进行有限元分析，旨在补充完善反力墙的结构设计方法。
1 工程概况
河南工业大学土木建筑学院结构试验大厅的主反力墙长12m，宽4.2m，两侧的墙肋混凝土厚度各为0.6m，采用后张无黏结预应力混凝土，预应力钢筋采用1860级Φs15.2无黏结预应力钢绞线，結构设计单孔抗拔荷载500kN，采用C40混凝土。
2 有限元建模
2.1 参数设定
（1）单位：长度：mm，力：N，质量：Kg，弹性模量：MPa;
（2）混凝土：C40混凝土，泊松比0.2，弹性模量：3.25×104MPa，抗压强度：19.1MPa，密度为：2.4×10-6Kg/mm3;
（3）钢筋：弹性模量：1.9×105MPa，泊松比：0.3，密度：7.8×10-6Kg/mm3，抗压强度：360MPa;Q235钢的材料属性：弹性模量：2.05×105MPa，泊松比：0.25，密度：7.85×10-6Kg/mm3，抗压强度：215MPa;
（4）预应力钢筋：弹性模量：1.95×105MPa，泊松比：0.3，采用1860级Φs15.2无黏结预应力钢绞线，抗拉强度：1320mm2，截面面积：139mm2，膨胀系数：α=1.2×10-5/℃。
2.2 本构模型
（1）混凝土：应力-应变关系曲线依照《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）[1]。
（2）钢材模型：选用双线性随动强化模型来模拟受力钢筋和预应力钢绞线的应力应变关系。
2.3 单元选取与模型建立
混凝土采用实体solid单元来建立模型，为实体单元（C3D20）二次缩减积分;角钢采用一阶三维梁单元（B31）;钢筋与预应力筋选取T3D2 Truss单元。
（1）混凝土模型建立：反力墙上的加载孔面积占比为1.5%，孔洞面积较小，考虑建模需要，由于加载孔网格划分复杂，单元数量大，因此，采用混凝土削弱后的等效抗拉强度模拟反力墙，混凝土模型如图1所示。
（2）钢筋模型的建立：反力墙的墙身钢筋采用桁架的方法建模[2-3]，墙洞中钢筋采用rebar layer 的方法建模，钢筋骨架模型如图2所示。
（3）角钢模型建立：反力墙中加载孔与混凝土的黏结性能和定位精度要求高，考虑特殊工艺，需大量角钢或槽钢以便焊接固定（图3），确保位置准确。角钢为L70×70×6等边角钢，模型中角钢采用梁单元，角钢模型如图4所示。
（4）预应力模型建立：预应力筋为T3D2 Truss单元，预应力采用降温法实现，模型如图5所示。
2.4 单元划分
为了防止应力集中，混凝土划分单元时最小尺寸应不小于50mm[4-5]，通过试算，选用单元尺寸为200mm，网格划分模型如图6所示。
2.5 加载与计算
分解3个荷载步，包含自重荷载施加、预应力施加和水平荷载作用施加，水平荷载大小和作用点根据设计确定。
2.5.1 边界条件
对混凝土单元底部所有方向位移进行约束。相关文献[6]中，获得下部结构与反力墙的等效侧移刚度比为1.56，比《高层建筑箱形与筏形基础技术规范》中相应比值1.5大，反力墙底部采用固结方式。
3 有限元结果与分析
通过有限元计算，其结果如下：
3.1 整体变形
由通过图8可以发现，反力墙侧向位移最大为3.384mm，侧向位移最大点在顶部。顶部到底部，侧向位移不断减小，反力墙底部采用固结形式，于是底部侧向位移为零。
3.2 钢筋应力
由图9、图10可以得到，横向钢筋最大应力为4.842 MPa，最大应力位置出现在底部固结点区域，竖向钢筋最大应力为32.10 MPa，最大应力位置出现在底部固结点端部。
3.3 混凝土应力图
由图11可知，混凝土的最大应力为9.530 MPa，最大应力在底部固结点处。
4 结语
本文利用ABAQUS软件对结构实验室反力墙受力性能进行了分析，得到了反力墙侧向位移的最大值为3.384mm，小于反力墙的设计计算值4.6mm，满足设计要求的最大侧向位移7.1mm，反力墙的整体刚度偏大，说明设计偏于保守。本文结果可以为结构实验室反力墙的设计、施工、后期试验及同类工程的设计提供参考。
参考文献
[1]中华人民共和国建设部.GB50010-2010，《混凝土结构设计规范》[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.
[2]王玉镯，傅传国.ABAQUS结构工程分析及实例详解[M].北京：中国建筑工业出版社，2010.
[3]石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详解[M].北京：机械工业出版社，2006.
[4]王德玲，沈疆海.反力墙实验系统的静力有限元分析[J].长江大学学报（自然科学版），2008，5（2）：123-126.
[5]刘劲松，刘红军.ABAQUS钢筋混凝土有限元分析[J].装备制造技术，2009，2.
[6]万宇.新疆大学结构实验室X方向反力墙有限元分析[D].硕士学位论文，乌鲁木齐：新疆大学，2008.
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