钢筋混凝土板偏心受压破坏全过程非线性分析.pdf
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1、第 8卷第 5 期 2 0 1 0年 1 O月 南水北调与 水利科 技 S o u t h - t o N o r t h Wa t e r T r a n s f e r s a n d Wa t e r S c i e n c eT e c h n o l o g y Vo 1 8 No 5 Oc t 2 0 1 0 6 o i : 1 0 3 7 2 4 S P J 1 2 0 1 2 0 1 0 0 5 1 4 4 钢筋混凝土板偏心受压破坏全过程非线性分析 朴哲 浩 , 宋 力 , 宋万增 , 乔瑞社 ( 1 水利部水利建设管理总站, 北京 1 0 0 0 3 8 ; 2 黄河水利科学
2、研究院 工程力学研究所, 郑州 4 5 0 0 0 3 ; 3 水利部堤防安全与病害防治工程技术研究中心, 郑州 4 5 0 0 0 3 ) 摘要: 针对水闸安全鉴定中结构安全评价的核心问题, 板构件极限承载力的计算, 设计了实验模型并开展了相关实验。 采用钢筋混凝土非线性有限元分析理论, 建立了考虑混凝土材料非线性、 钢筋与混凝土黏结滑移关系、 结构状态非线 性的分离式有限元模型。针对混凝土、 钢筋本构关系和钢筋与混凝土的黏结滑移关系, 根据试验进行取值, 并针对求 解控制中的关键参数结合工程实际进行了试算, 得到了实用的参数取值。基于通用有限元程序 AN s Y s 1 2 0平台, 开
3、展了仿真模拟计算, 并将计算结果与试验结果从裂缝分布、 极限承载力、 挠度 3 方面进行了对比, 证明了分析的正确性。 关键词 : 水闸安全鉴定; 偏心受压; 钢筋混凝土板; 破坏全过程; 非线性分析 中图分 类号 : T V3 1 4 ; T U3 7 5 文献标识码 : A 文章编号 : 1 6 7 2 1 6 8 3 ( 2 0 1 0 ) 0 5 0 1 4 4 0 5 Th e No nl i ne a r An a l y s i s f o r Co mpr e s s i v e Fa i l ur e o f Re i nf o r c e d Co nc r e t e S
4、l a b u n de r Ec c e nt r i c Co mpr e s s i v e Lo a d P I A0 Z h e - h a o , S ONG L i 一, S ONG W a n - z e n g w, QI AO Ru i s h e 2 , 。 ( 1 Wa t e r Re s o u r c e s De v e l o p me n t a n d Ma n a g e me n t Ma s t e r S t a t i o n o f t h e Mi n i s t r y o f Wa t e r R e s o u r c e s , B
5、e Oi n g 1 0 0 0 3 8 , C h i n a 2 Y e l l o w R i v e r I n s t i t u t e o f Hy d r a u l i c Re s e a r c h, Z h e n g z h O U 4 5 0 0 0 3 , C h i n a ; 3 Re s e a r c h C e n t e r o n L e v e e S a f e t y& Di s a s t e r Pr e v e n t i o n Mi n i s t r y o f Wa t e r Re s o u r c e s , Z h e n
6、 g z h o u 4 5 0 0 0 3 , C h i n a ) Ab s t r a c t :Ac c o r d i n g t o c o r e i s s u e s o f s a f e t y e v a l u a t i o n i n s l uic e s t r u c t u r e,i t d e s i g n e d a n e x p e r i me n t a l mo d e l a n d c a r r i e d o ut s o me e x p e r i me n t s t o s t u d y t he c a l c u
7、l a t io n o f u l t i ma t e b e a r i n g c a pa c i t y o f s l a b s I n t h e r e s e a r c h,n o n l ine a r f i n i t e e l e me n t a n a lys i s t h e o r y o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e wa s a d o p t e d,a n d a s e p a r a t e d f i n i t e e l e me n t mo d e l o f r e i nf o
8、r e e d c o n c r e t e wa s bu i l t ,c o n s ide r i n g ma t e r i a l n o nl i n e a r i t y o f c o n c r e t e ,b o nd s l i p r e l a t i o n s hi p b e t we e n s t e e l b a r s a nd c o n c r e t e ,t he s t a t e n o n l i n e a r o f s t r u c t u r e Ai mi n g a t t h e r e s pe c t i v
9、 e s t r a i n - s t r e s s r e l a t i o n s h i p a n d b o n d - s l i p r e l a t i o n s h i p b e t we e n c o n c r e t e a n d s t e e l b a r ,t h e p a p e r r e s e a r c he d t h e k e y p a r a me t e r s c o mb i ne d wi t h p r a c t i c a l e n g i n e e r i n g a n d e x p e r i me
10、 n t ,a n d o b t a i n e d p r a c t i c a l pa r a me t e r s B a s e d o n ANSYS1 2 0 p l a t f o r m o f ge n e r a l f i ni t e e l e me n t p r o g r a m ,a s i mul a t i o n c a l c u l a t i o n wa s de v e l o p e d Mo r e o v e r ,t h e c a l c u l a t i o n r e s ul t s s h o ws t h a t t
11、 he a n a l y s i s i s c o r r e c t c o mp a r e d wi t h e x p e r i me n t r e s u l t s f r o m t hr e e a s p e c t s ,i n c l u di n g f r a c t u r e d i s t r ibu t ion ,ul t i ma t e b e a r i n g c a pa c i t y a n d d e f l e c t i o n Ke y wo r d s :t h e s a f e t y a p p r a i s a l o
12、 f s l u i c e; e c c e n t r i c c o mp r e s s i o n; r e i n f o r c e d c o n c r e t e s l a b; t h e wh o l e p r o c e s s o f f a i l u r e ; n o n l i n e a r a n a l y s i s 水闸在使用过程中, 由于受到荷载, 在恶劣环境和不合理 运用方式等因素的作用下, 产生裂缝、 碳化、 钢筋锈蚀、 表面冲 刷 、 混凝土强度改变等方面的不利缺陷, 当缺陷达到一定程度 后会大大降低水闸安全性, 对水闸功能的发挥产生重
13、要影响。 基于此 , 水利部在 水闸技术管理规程 水闸安全鉴定规定 水闸安全鉴定管理办法 等技术标准和法规中明确规定, 应 定期开展水闸安全鉴定, 对水闸的安全进行评价。但目前我 国水闸安全鉴定在水闸结构安全评价环节, 对水闸缺陷的考 虑不够全面 , 因此, 以水闸主要构件为主研究能够全面反映构 件受荷过程性能的计算分析方法, 成为 目前水闸安全鉴定中 的重要 问题之一 。 水闸结构体系从组成上介于杆系结构和大体积混凝土建 筑物之间, 主要构件形式为承受沿板法线和切线方向荷载的 板 , 构件截面一般以承受轴压和弯曲为主, 与偏心受压状态相 似。在 2 O世纪 5 0年代至 7 o 年代建设的水
14、闸中, 材料多为钢 筋混凝土, 混凝土强度等级在 C 1 5 C 3 5间, 主要受力钢筋一 般 为 I 级光圆钢 。 然而钢筋混凝土构件 由于具有混凝土材料的非线性、 钢 收稿 日期: 2 0 1 0 0 9 0 2 修回 日期: 2 0 1 0 0 9 1 5 基金项目: 中央级公益性科研院所 基本科研业务费专项资金资助( H K Y - J B Y W- 2 0 0 8 - 1 6 ) ; 黄河水利科学研究院科技发展基金( 黄科发2 0 0 7 0 8 ) 作者简介: 朴哲浩( 1 9 6 9) , 男( 朝鲜族) , 黑龙江哈尔滨人, 高级工程师, 主要从事水利工程建设管理等方面的研究
15、。 1 4 4 立 娃 技 朱 朴哲 浩等 钢 筋混凝土板偏心 受压破 坏全过程非线性分析 筋与混凝土间在开裂 阶段后 变形 的差异和 黏结 滑移的非线性 等特点, 对破坏全过程开展非线性分析特别是结构进入到塑 性阶段后的分析成为数值仿真计算的难点问题。文章针对这 个问题以水闸构件的典型受力状态为依据, 开展钢筋混凝土 板的偏心受压承载能力破坏试验, 根据试验中所反映出的板 极限承载能力, 重点开展了偏心受压板破坏全过程的非线性 计算研究 , 取得了可全面反映板受荷全过程位移、 裂缝、 承载 力变化的计算方法。 1 试 验模型简述 对黄河中下游 2 2座水闸的板构件进行尺寸、 配筋、 材料 等
16、方面的分析, 得出如图 1所示的构件模型。构件特征截面 尺寸 见图 1 , 沿水流方 向长度 为 1 5 0 0 mm。配 筋情 况详见 图 2 , 其中顶部区域 I采用了适当加密配筋以增加刚度的措施, 钢筋与钢筋之间采用铁丝进行绑扎固定以形成钢筋网, 钢筋 保护层厚度均为 1 0 m m。制作完成 的试件图见图 3 , 试件按 照规范规定养护 2 8 d开始进行试验。 图 1 实验构件横截面图 Fi g 1 Cr o s s s e c t io n o f Te s t me mbe r 图 2 构件配筋 图 Fi g 2 Th e s e c t io n o f r e i n f o
17、 r c e me n t s t e e l b a r 混凝土配 比为水 泥: 砂 予 河存 水 一1 6 5 : 3 0 9 : 6 5 7 : 8 3 , 混 凝土设计强度拟为 C 1 5 。在浇筑板试件同时制作一组 6块 1 5 0 mm的立方体试块, 混凝土试块的实验抗压强度为 3 6 4 4 M Pa 。 钢筋采用 HP 2 3 5的光圆钢筋, 并在实验前采用砂纸打磨 光滑 , 对 同批钢筋按 照规 范规定进行拉拔 实验 , 对实验结果统 计分析得到钢筋的伸长量与荷载之间的关系, 见图 3 。钢筋 屈服时的荷载为 2 1 1 1 k N, 极限强度为 2 8 9 0 k N, 钢
18、筋的实 测直径为 8 0 5 r r l r n , 所以钢筋的屈服强度为 4 1 4 4 8 MP a , 极 限强度 为 5 6 7 4 4 MP a 。 图 3 偏心受压板试件 Fi g 3 Pr a c t i c a l me mb e r o f e c c e nt r i c c o mp r e s s i o n p l a t e 试验构件共分为 3个区域, 区域 I 的主要 目的为方便 施加偏心荷载, 区域 1 0 0 0 n c lm高度的板为研究的对象, 区域 属于板的边界约束 , 即支座部分, 主要是为了模拟 固定约束情况。 加载采用液压千斤顶加载, 通过 4根钢
19、梁转为一定区域 内的集中力均匀分 布在牛腿上进行加载, 设定偏心距 一 1 3 5 mF f l , 每个构件 拟加 8 9 0 t 的偏心 力 。 3 5 3 0 2 5 圣 2 0 莲1 5 l 0 5 0 0 l O 2 o 3 O 4 o 5 0 6 0 伸长量 I m rn 图 4 钢筋拉伸试验统计结果 Fi g 4 Th e s t a t i s t i c a 1 r e s u l t f o r t e ns i l e t e s t i n g 2 计算模型 钢筋混凝 土非 线性有限元分析 是建立在一定假设的基础 上进行的与结构受力更加吻合的计算过程, 合理的计算模型
20、决定着整个分析的精度和成功。因此针对计算模型, 从计算 所采用的材料本构、 失效准则 、 网格控制及收敛控制等方面开 展深入研究, 是建立合理准确计算模型的基础。 2 1 材料本构 2 1 1 混凝 土 以文献 1 中所推荐的为基础 , 根据计算程序的算法进行 改进 , 结合立方体抗压强度试验, 取混凝土标号为 C 3 5 , 得到 的混凝土受压时的本构关系见图 5 。 工程技术 1 4 5 第 8卷 总第 5 O期 南水北调与水利科技 2 0 1 0年第 5期 4 00 0 3 50 0 3 0O 0 葶 2 5 0 0 控 ( 管2 0 O 0 q l 5 o 0 霹 1 0o 0 50
21、0 00 0 00 0 0 00 0 1 00 0 2 00 0 3 0( 1 0 4 压应力 图 5 混凝土本构关系 Fi g 5 Th e s t r e s s - s t r a i n r e l a t i o n o f c o n c r e t e 2 1 2 钢 筋 根据钢筋试验成果, 考虑试验所选取对象具有一定的局 限性, 在实验成果的基础上对钢筋的极限强度进行折减, 按照 HR3 3 5钢筋进行考虑 , 取极限强度为 3 3 5 MP a 。 同时根据程序的特点, 如钢筋屈服后进入到软化阶段特 性, 等于在已经复杂的非线性基础上, 又增加了另外一个非线 性因素, 收敛的
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