碾压混凝土诱导缝等效强度试验的有限元分析.pdf
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1、2 0 1 1 年 第 7期 (总 第 2 6 1期 ) Nu mb e r 7i n 2 0 1 1 ( T o t a l No 2 6 1 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THE0RETI CAL RES EARCH d o i : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 0 7 0 0 4 碾压混凝土诱导缝等效强度试验的有限元分析 王学志,徐宗超,田傲霜,何秀斌,张玉梅 ( 辽宁工业大学 土木建筑学院 ,辽宁 锦州 1 2 1 0 0 1 ) 摘要: 通过对试验中不同类型的轴拉试件进行数值模拟, 对试验所得数据与
2、模拟结果进行对比分析, 证明了模型建立和参数选择的合 理性。 根据诱导缝周围应变发展情况, 结合应力分布云图, 判断诱导缝在荷载作用下的破坏过程, 提出了切实有效诱导缝布置方式。 关键词: 有限元分析;诱导缝;等效强度;裂缝扩展 中图分类号: T U 5 2 8 0 1 文献标志码: A 文章编号: 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 7 - 0 0 1 0 - 0 3 F i n i t e e l e me n t a n a l y s is o f e q u i v a l e n t s t r e n g t h t e s t f o r R C C i
3、 n d u c e d j oi n t W ANG Xu e - z h i , X U Zo n g - c h a o, T I AN Ao s h u a n g, HE Xi u b i n, ZHANG Yu me i ( C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r in g , L i a o n i n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y, J in z h o u 1 2 1 0 0 1 , C h i n a a ) Ab s t r a c t : Th e d i ff
4、e r e n t t y pe s o fa x i a l t e n s i o n s p e c i me ns we r e s i mu l a t e d a n d t he t e s t r e s u l t s and s i mu l a t e r e s ul t s we r e an a l y z e d, t he n t h e mo d e l s a n d p a r a me t e r s c h o z e d i n s i mu l a t e p r o c e s s i o n we r e v e r i fi e d r e
5、a s o n a b l e A c c o r d i n g t o the d e v e l o p me n t o f s t r a i n aro u n d i n d u c e d j o i n t , the d a ma g e p r o c e s s i o n o f in d u c e d j o i n t we r e j u d g e d c o mb i n g wit h the s tr e s s c o n t o u r s , the e f f e c t i v e l a y o u t o f in d u c e d j
6、 o i n t we r e p r o p o s e d K e ywo r d s : fi n i t e e l e me n t ana l y s i s ; i n d u c e d j o i nt; e q u i v a l e n t s tr e n g t h ; c r a c kp r o p a g a t i o n 0 引言 碾压混凝土筑坝技术凭借其工艺简单、 上坝强度高、 工期 短 、 造价低 、 适应性强等特点 , 已经成为最有竞争力的坝型之 一 ,在我国得到了大力发展和广泛应用。 综合我国的碾压混凝土 技术, 我国碾压混凝土在配合比设计上已经形成
7、少水泥用量 、 高 粉煤灰掺量的特点。 但也正是由于粉煤灰的大量掺人, 水化热散 发时间缓慢 , 同时由于碾压混凝土上升速度快, 导致温度应力 增加 , 从而使坝体出现破坏。 目前较为成熟的温控措施就是设置 诱导缝, 即靠诱导缝 自身对其所受拉应力的放大来优先使坝体 在诱导缝处成缝。 因此对于诱导缝的数值分析方面的研究 , 越 来越受到专业人士的重视。 目前, 国内对于碾压混凝土诱导缝的分析主要是运用断裂 力学理论 , 对碾压混凝土诱导缝等效强度及裂纹尖端应力强度 因子进行数值分析。 清华大学的曾昭扬教授在“ 八五” 攻关期间, 以单向间隔诱导缝为例, 将内部矩形的诱导缝简化为无限大板 的单向
8、、 短轴间隔、 穿透裂缝模型, 根据断裂力学理论 , 得到了 诱导缝的等效强度的计算式 , 并据此提出了断裂判别式以及有 效作用范围估计方法 。 在“ 九五” 攻关其间, 曾昭扬教授对诱导 缝强度以及诱导缝和横缝的布置做了研究2 1 。 该研究着重在于 诱导缝断裂机理的理论研究 , 得到缝尖应力强度因子的表达式, 同时考虑相邻诱导缝短轴方向的影响及远场应力 和诱导缝 短轴的有效裂缝长度这两个因素, 计算了裂缝开始失稳扩展时 诱导缝断面的远场应力, 并将此远场应力作为诱导缝的等效强度, 推导出等效强度 的表达式。 同时, 大连理工大学的赵国藩院士 和宋玉普教授共同负责的大连理工大学的 沙牌碾压混
9、凝土拱 收稿 日期 :2 0 1 1 0 1 1 8 基金项 目:国家 自然科学基金( 5 0 7 0 9 0 1 3 ) 1 0 坝应力应变全过程仿真分析 项目组, 引入了双 K断裂理论 , 用 混凝土的起裂韧度计算诱导缝等效强度 , 并以此反映具有宏 观裂缝坝体的抗裂性能, 同时分析了沙牌拱坝在施工期和运行 期的应力场以及诱导缝在施工期和运行期的开裂状况肼; 华北 水利学院的赵中极等提出了一种计算模拟混凝土构件荷载一 位 移全过程曲线的方法刚度荷载法 ; 中交水运规划设计院 的张雪虎、 天津大学的张社荣建立了任意加密有限元剖分网格的 三维随机有限元 自适应算法进行拱坝温度应力裂缝的计算嘲;
10、 河海大学的顾爱军等问 借助大型通用有限元软件 A NS YS计算 软件对碾压混凝土拱坝诱导缝的工作机理和作用进行了探讨 , 用线弹性断裂力学方法从局部分析了诱导缝的设置问题。 本研究借助于有限元软件对碾压混凝土试件进行模拟分 析 , 对比试验结果 , 得出更有意义的诱导缝布缝方案 , 进一步研 究诱导缝的工作机理。 1 数值模拟模型的建立 对于穿透型诱导片轴拉试件, 可以直观的从表面的裂缝处 观察到混凝土的应力及应变发展情况 , 从而分析诱导缝周围的 应力变化。 对于非穿透型诱导片轴拉试件, 一方面对整体模型进 行模拟分析; 另一方面为了观察诱导缝周围的应力应变发展过 程, 对其进行简化模型
11、分析, 根据其 、 , 、 z 方向的几何和荷载的 对称性 , 取 1 4部分作为计算模型 , 不仅简化了分析过程, 更重 要的是观察到了诱导缝处的开裂变化。 对于模型之中诱导片的放置, 采取对实体模型中诱导片部 位进行掏空的做法 , 因为诱导片的设置 目的就是切断混凝土之 间的连接 , 达到削弱等效强度的目的, 因此认为这种做法可行。 模型之中实体单元的选择为 s o l i d 6 5 , 这是专门为模拟三维有钢 筋或无钢筋的混凝土模型而开发的, 其中材料参数的选择主要 用到混凝土的弹性模量和泊松比, 本次模拟试验中分别取为 2 x l O 10 和 0 1 7 5 。 由于实体诱导片部位
12、进行了掏空 , 所以实体网 格划分的时候不能用到六面体常用的映射网格划分法, 采用 自 由网格划分, 并对单元格大小进行设置。 最后对底面施加约束 和对两个侧面施加荷载 , 进行计算, 得到模拟分析数据。 穿透和 非穿透型试件的有限元分析模型如图 1 所示。 ( a ) 穿透1 片有限元分析模型 ( c ) 穿 透5 片 有 限元 分 析模 型 f b 1 穿透3 片有 限 元分 析 模 型 ( d ) 1 4 z 穿透1 片有限元分析模型 ( e ) 1 4 非 穿 透3 片 有 限元 分 析模 型 ( f ) 1 4 t 穿透5 片有 限 兀分 析 模 型 图 1 穿透和非 穿透有 限元分
13、析模型 2 计算结果分析 2 1 裂缝周围应变的发展情况对比 从试验曲线可以看出应变随着荷载的增加呈现由均匀发 展到非均匀发展的一个变化过程, 但它是其所量测区域上总的 变形的平均反映, 而数值模拟描述的是缝尖各个局部区域的反 应, 在混凝土没发生塑性变形时, 二种方法得到的应变值应该 是一致的, 为了准确的比较诱导缝周围应变的试验值和模拟值 , 必须在线性变化范围内进行取值比较 , 所以对试验取达到峰值 荷载 3 0 时的应变值 , 对模拟值的选取, 分别对各种模型加载 进行模拟 , 也加载到最大荷载的 3 0 , 得到此时的模拟应变发 展情况。 分别对不同类型试件各取一个 , 进行比较分析
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