高强钢筋陶粒混凝土受弯梁非线性有限元分析.pdf
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1、2 0 1 1年 第 9期 (总 第 2 6 3期 ) Nu mb e r 9i n 2 0 1 1 ( T o t a l No 2 6 3 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 T HE0RE TI CAL RES EARCH d o i : 1 0 3 9 6 9 8 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 0 9 0 0 5 高强钢筋陶粒混凝土受弯梁非线性有限元分析 杜闯 ,陈向上 ,左治武 ( I 河北工业大学 土木工程学院,天津 3 0 0 1 3 2 ;2 河南油田油建工程建设有限责任公司,河南 南阳 4 7 4 1 3 2 ) 摘要: 采
2、用有限元法对陶粒钢筋混凝土梁进行非线性分析, 是对有限的试验研究的有效补充和进一步深入探讨。根据陶粒混凝土梁 的试验结果, 建立了合理的三维有限元模型, 对陶粒混凝土梁的抗弯性能进行了非线性有限元分析。 计算得到的开裂载荷 、 极限载荷和载 荷一 挠度曲线与试验吻合较好 , 可以有效的模拟陶粒混凝土梁的抗弯性能。 基于已建模型, 通过改变材料本构、 保护层厚度 、 钢筋直径和钢 筋屈服强度等参数, 进一步研究陶粒混凝土梁的抗弩胜能规律。 关键词: 陶粒混凝土;非线性有限元;抗弯性能 中图分类号 : T U5 2 8 0 1 文献标 志码 : A 文章编号 : 1 0 0 2 3 5 5 0 (
3、 2 0 1 1 ) 0 9 0 0 1 5 - 0 4 Non- l i ne ar f i n i t e el e m e nt an al y si s o f t he f l e xur a l hi gh s t r e ng t h r e i n f or c e d c er a m s i t e con c r e t e be am DU C hu a n g , CHENXi a n g - s h a ng , ZUOZh i WU ( 1 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g , He b e i U n
4、 i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y , T i a n j i n 3 0 0 1 3 2, C h i n a ; 2 T h e Co n s t r u c t i o nE n g i n e e r i n gL i mi t e dL i a b i l i tyCo mp a n y , He n a nO i l F i e l d , Na n y a n g 4 7 4 1 3 2 , C h in a ) Abs t r a c t : Ad o p t i ng t he fin i t e e l e me n t me t
5、 h o d t o a n a lyz e the c e r a ms i t e r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a m wa s t h e f u r t h e r s t u d y a n d e ffe c t i v e s u p p l e me n t t o t h e 1 i mi t e d t e s t s Ba s e d o n e x p e r ime n t a l r e s u l t s o fc e r a ms i t e c o n c r e t e be am a 3- D fi ni
6、 t e e l e me n t mo d e l wa s e s t a bl i s h e d a n d n o nl ine a r fi ni t e e l e me n t me tho d wa s u s e d t o a n a l y z e the fl e x u r a 1 c e r a ms i t e c o n c r e t e be am Th e n u me r i c a l r e s u l t s o f c r a c k l o a d u l t i ma t e l o a d a n d l o a d d e fle c
7、t i o n C u r v e s h o we d g o o d a g r e e me n t wi t h the e x p e r i me n t a l r e s u l t s T h i s i n d i c a t e s t h a t n o nl i n e ar fi ni t e e l e me n t me t h o d C an e ffe c t i v e ly s i mu l a t e t h e fle x u r a 1 c e r a ms i t e c on c r e t e b e am Ba s e d o n t h
8、 e e s t a b l i s h e d fin i t e e l e me nt m o d e 1 f u r t h e r i n v e s t i g a t i o n wa s c o n d u c t e d wi t h r e s pe c t t o the fle x u r a l b e h a v i o r o f the c e r a r n s i t e c o n c r e t e b e a m b y c ha n g i n g ma t e ria l , c o v e r t h i c k n e s s , s t e
9、e l ba r d i a me t e r an d s t e e l b ar y i e l d s t r e n g t h Key wor ds : c e r am s i t e c o n c r c t e; n o n l i n e a r fin i t e e l e me n t ; fle x u r a l b e ha v i o r 0 引言 随着现代建筑 向高层 、 大跨方向发展, 轻质、 高强材料、 可 持续发展的建筑材料已成为土木工程界的重要研究课题 , 也是 现代混凝土技术的重要发展方向之一 。 陶粒混凝土因具备轻 质、 高强、 抗震 、 抗渗
10、这些优点 , 在我国高层建筑 、 大跨度结构和 海港码头等工程中的应用 日益增多。 然而, 对于陶粒混凝土构 件性能的研究却滞后于工程应用的发展。 国内目前研究陶粒混 凝土构件力学性能的只有少数单位。 苏州科技大学为了配合轻 骨料设计规程的修订进行过 6根陶粒混凝土梁和 2根普通混 凝土梁的试验 ; 广西大学为了地区经济发展 , 利用地区资源优 势 , 进行过一系列陶粒混凝土构件的试验嘲; 武汉理工大学为了 轻骨料混凝土在桥梁中的应用 , 进行过不同强度的 6根陶粒混 凝土梁和 l 根普通混凝土梁的试验 3 。 但总体上说 , 其规模和深 入程度都很不够 , 尤其随着高强钢材的使用 , 对高强
11、陶粒混凝 土力学性能研究的更少 。 因此研究配置 H R B 4 0 0 MP a钢筋的陶 粒混凝土梁受力性能, 对于高强钢筋陶粒混凝土的推广使用具 有重要 的意义 。 在试验研究的基础上, 采用 An s y s 对高强钢筋陶粒混凝土 梁进行数值模拟, 并和试验结果做了对比, 误差在 1 0 以内, 表 明本研究有限元的建模及参数的选取是合理的, 数值模拟是有 收稿 日期 :2 0 1 1 _ _ 0 3 1 8 效的, 能够反映出试验梁受弯的力学性能。 在此基础上, 本研究 采用已建模型, 改变模型的相关参数, 深入研究不同材料、 保护 层厚度 、 钢筋直径和钢筋屈服强度等参数对陶粒混凝土
12、梁受弯 性能影响规律。 1试验 概 况 为了研究 HR B 4 0 0 MP a 钢筋陶粒混凝土梁受力性能, 进行 了 6 根试验梁( 4根陶粒混凝土梁, 其中 1 根陶粒混凝土梁中加 入纤维和 2根强度相同的普通混凝土梁) 的受弯性能试验。 试 件的截面尺寸和配筋均相 同, 如图 1 所示 。 试验梁的截面尺寸 为 4 0 0 mmx 6 0 0 n l n l , 跨长为 4 4 0 0 h i m。 梁顶部配置纵筋 4 韭1 6 , 中部腰筋 2 业 1 4 , 底部纵筋 4 业 2 2 , 配置箍筋为 4 , 8 2 5 0 。 陶粒混 凝土和普通混凝土设计强度等级分别为 L C 4
13、0和 C 4 0 。 采用天 津宝通轻集料有限公司生产的普通型页岩陶粒。 试件类型如表1 所示 。 试验中采用三分点加载。 采用电阻应变仪测量钢筋和混凝 土应变 , 钢筋应变片位置在试验梁跨中纵筋处。 混凝土应变片 粘贴在试验梁跨中前侧表面, 同时结合粘贴铜豆的方式 , 铜豆 粘贴在试验梁跨中后侧表面, 以跨中为中点, 五行三列分布, 用 手持式应变仪测量。 挠度采用百分表测量, 布置在支座和跨中。 用读数显微镜观测裂缝宽度。 l 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 兰 Q Q l l l 图 1 试验梁的设计 尺寸及配筋( 单位 : mm) 表 1 试件参
14、数 2 非线性有限元分析 2 1 单元和本构关 系 采用 A n s y s 进行钢筋陶粒 昆 凝土梁受弩生 能的非线性分析。 混凝土采用软件专门模拟混凝土的 S o l i d 6 5单元。 该单元可以 综合考虑包括塑性和徐变引起的材料非线性、 大位移引起的几 何非线性、 混凝土开裂和压碎引起的非线性等多种混凝土的材 料特性。 混凝土的强度准则采用 Wi l l i a m Wa r n k e 五参数模型。 有限元模拟的有效性与采用的混凝土本构关系选取是否合理 有很大的关系, 本研究采用的陶粒混凝土的应力一 应变曲线为清 华大学王振宇的 结构轻骨料混凝土的应力一 应变全曲线 一文中 的陶粒
15、混凝土应力一 应变曲线问。 钢筋单元采用 A n s y s 的L i n k 8 空间一维链杆单元, 其应力一 应变关系取为理想弹塑性模型。 混 凝土和钢筋的组合采用位移协调模型。 假定钢筋和混凝土之间 黏结 良好, 不考虑钢筋和混凝土之间的滑移 , 设定钢筋和混凝 土共用节点 。 混凝土裂缝采用弥散裂缝模式 , 即当混凝土的主拉应力达 到抗拉强度后 , 假定裂缝在单元的内部形成 , 在垂直主拉应力 的方向上, 用无数穿过单元的平行裂缝表示混凝土裂缝, 并假 设开裂后的混凝土仍然保持连续 , 将混凝土看成正交各向异体 材料 。 2 2 建模和网格 划分 由于试件梁受力和结构对称, 为了节约计
16、算量, 实际建模 取 1 4 。 梁端简支支撑, 在对称面上施加对称约束。 有限元计算 模型如图 2 、 3 所示。 为了避免单元尺寸过小而造成的应力集中现 象, 昆 凝土单元取 5 0 m mx 5 0 mm x 5 0 l n g l 的立方体。 收敛准则为力 收敛, 收敛精度为 5 。 在计算中, 当平衡迭代次数超过 2 5 次仍不 能满足收敛准则时, 将加载步长折半, 若重复折半超过2 0 0 次仍不 收敛, 则认为已经产生过大塑性变形而破坏, 计算结束。 2 3 计算值与试验值对比分析 下面仅以试验梁 T C H I 为例 , 说明有限元模拟情况。 经过有 限元的计算, 陶粒混凝土试
17、验梁 T C I I I 的计算开裂载荷、 极限载 荷和跨中挠度和试验值的对比及相对误差如表 2 所示 , 由表中 可见误差均小于 1 0 , 计算结果和试验结果吻合较好。 1 6 图 2混凝土模型 图 3 钢筋模型 表 2 试验值和计算值对比 陶粒混凝土梁的计算和试验裂缝如图4、 5所示。 从裂缝 对比图可见, 裂缝分布的范围基本相同。 在梁的受压区, 试验 和计算结果均显示混凝土没有被压碎 , 裂缝分布在受拉区, 试 验和计算结果一致。 表明受压区钢筋仍处于弹性受力状态 , 拉 区钢筋屈服。 从有限元计算结果中提取出受压区钢筋应力为 图 4 有 限元计算裂缝 学兔兔 w w w .x u
18、e t u t u .c o m 1 4 7 MP a , 没有屈服, 拉区钢筋应力达到屈服应力强度 4 0 0 MP a 。 这是由于该试验梁在设计时 , 截面尺寸较大 4 0 0 m m 6 0 0 mm, 受拉钢筋的配筋率为 0 6 3 , 接近最小配筋率所致。 图 6给出了有限元计算得到的载荷一 挠度关系曲线和试验 结果的对比。 可以看出, 两条曲线吻合较好, 在拉区钢筋屈服 , 梁接近极限载荷时, 有限元计算值高于试验梁, 这是由于应用 于有限元的材料是理想均质的。 实际的混凝土中是有微裂缝的。 另一个原因是模拟时没有考虑混凝土与钢筋的黏结滑移。 这些 都造成了计算构件承载力偏高。
19、5 OO 4 5 0 4 0 0 3 5 O Z 3 0 0 2 5 0 2 0 0 l 50 1 0 0 5O 0 挠度 mm 图 6 I CI I l 梁试 验与有 限元载荷一 挠度关系 从以上的计算和试验数值结果对比、 裂缝对比图和载荷一 挠 度关系曲线可见, 有限元计算的参数设置是合理的, 模拟是有 效的, 结果是比较可靠的, 可较好的再现陶粒混凝土梁的受力 状况和性能 。 3 各影响因素的分析 以下通过改变材料本构 、 保护层厚度 、 钢筋直径和受拉钢 筋屈服强度, 利用已建模型研究这些因素对钢筋陶粒混凝土梁 受弯力学性能影响规律。 3 1 材料的影响 不同的材料具有不同的力学性质
20、, 材料的本构关系反映了材 料的性质。 采用有限元, 通过改变混凝土的应力一 应变关系, 可以模 拟普通混凝土和陶粒混凝土梁的受力性能。 计算中陶粒混凝土和 普通 昆 凝土的应力 应变曲线如图 7 所示。 经过有限元计算,得到 的开裂载荷、 极限载荷和挠度如表 3 所示。 陶粒混凝土和普通混凝 土梁的载荷 挠度曲线如图8 所示。 由计算结果可见, 陶粒混凝土 梁的开裂载荷略小于普通混凝土梁 , 极限承载力并不 比普通混 凝土极限承载力低。 在相同载荷作用下, 陶粒混凝土梁挠度大于普 通混凝土挠度, 表明陶粒混凝土梁的刚度小于普通混凝土梁, 这是 由于陶粒混凝土的弹性模量低于普通混凝土弹胜模量。
21、 3 2 保护层厚度 采用有限元对 3 0 、 5 0 、 6 0 lll r n不同保护层厚度的陶粒混凝土 梁进行模拟计算, 其中的陶粒混凝土和钢筋材料参数设置不变。 经过有限元计算 , 得到的开裂载荷、 极限载荷和挠度如表 4所 35 3 0 2 5 硝 塞 2 0 - s 1 0 5 0 应变 图7 陶粒混凝土和普通混凝土的应力一 应变曲线 表 3 普通 混凝 土和 陶粒混凝土梁的数值解 Z 握 耱 挠 度 mm 图8 陶粒混凝土和普通混凝土的载荷一 挠度曲线 表 4 不 同保护层厚度梁的数值解 示。 由表可见, 开裂载荷不变, 承载力逐渐减小, 挠度逐渐增大。 计算结果的载荷一 挠度曲
22、线如图 9 所示, 分别给出了保护 层一 挠度和载荷一 保护层曲线。 由图可以清楚的看到, 三条曲线 在开裂载荷之前基本重合, 表明保护层厚度不影响梁在弹性阶 段受力, 梁进入带裂缝工作阶段, 随着载荷的增加, 保护层不同 的梁显示出不同的抗弯性能。 相同载荷作用下 , 保护层越大, 挠 度越大, 表明刚度越小。 达到梁的极限承载力也不同。 这是由于 保护层厚度增加 , 相当于减小了弯矩的内力臂 , 故承载力下降, 刚度减小 。 Z 挺 辐 0 5 l 0 l 5 Z U 25 3O 挠度 m m 图9 同保护层厚度的载荷一 挠度关系 3 3 钢筋直径 采用已建的钢筋陶粒混凝土梁模型, 改变受
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