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        基于ABAQUS的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)懸臂梁跨高比的分析研究

        2013-07-26 01:39:56彭杰波廖文遠(yuǎn)
        四川建筑 2013年2期
        關(guān)鍵詞:限值撓度寬度

        黃 輝,陳 韋,彭杰波,黃 丹,廖文遠(yuǎn)

        (1.長沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院,湖南長沙410114;2.江蘇省張家港市建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司保稅區(qū)分公司,江蘇張家港215600;3.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院,廣東廣州510640;4.昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院,云南昆明650504)

        1 工程實(shí)例

        鋼筋混凝土懸臂梁結(jié)構(gòu)可以使建筑體型獨(dú)特、外觀新穎、增加有效的上部利用空間。在實(shí)際工程中應(yīng)用廣泛,多用于挑檐、陽臺、雨棚以及屋頂?shù)取?/p>

        中元·鉑金灣幼兒園如圖1所示,地處云南保山,屬三層公共建筑??拐鹪O(shè)防烈度八度,耐久年限為3類,耐火等級為二類,屋面防水等級為Ⅲ級。鉑金灣幼兒園利用鋼筋混凝土懸臂梁結(jié)構(gòu)使建筑的室內(nèi)空間得以延伸,提高內(nèi)外部空間的聯(lián)系。幼兒園是讓幼兒身體、智力和心情健康發(fā)展的場所,因其特殊性,幼兒園的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求更高,比如還需滿足《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010-2010)[1]中對托兒所、幼兒園設(shè)計(jì)的各項(xiàng)要求。

        圖1 中元·鉑金灣幼兒園效果圖

        鋼筋混凝土懸臂梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是跨高比的取值,現(xiàn)階段對于跨高比的取值規(guī)范沒有明確的規(guī)定,往往是通過經(jīng)驗(yàn)取值,因此在工程實(shí)際設(shè)計(jì)過程中跨高比的取值成為研究的熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[2]及文獻(xiàn)[3]給出了在不同荷載集度下,集中荷載作用下鋼筋混凝土懸臂梁h/b=2~3的容許跨高比上下限值。本文運(yùn)用ABAQUS非線性分析軟件以及規(guī)范規(guī)定的裂縫寬度計(jì)算公式,對懸臂梁在不同跨高比下的受力、撓度及裂縫寬度分析對比。鉑金灣幼兒園結(jié)構(gòu)平面圖如圖2所示。

        圖2 幼兒園結(jié)構(gòu)平面圖

        2 本構(gòu)關(guān)系

        2.1 計(jì)算模型的選取

        混凝土采用 ABAQUS 軟件中的損傷塑性模型[4]、[5],該模型可用于單向加載、動(dòng)態(tài)加載及循環(huán)加載等情況,具有較好的收斂性。采用各向同性損傷彈性結(jié)合壓縮塑性和各向同性拉伸的模式來表示混凝土的非彈性行為。鋼筋采用ABAQUS軟件中的等向強(qiáng)化彈塑性模型[6],滿足 VonMises屈服準(zhǔn)則。

        2.2 現(xiàn)行規(guī)范的有關(guān)規(guī)定

        在工程實(shí)踐中結(jié)構(gòu)物的裂縫形成產(chǎn)生的原因可分為兩類,一類是由荷載引起的裂縫,另一類是由變形因素(非荷載)引起的。由于本文中提到的跨高比上、下限值是通過《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的最大裂縫寬度限值計(jì)算的,為了使多組跨高下裂縫寬度和最大裂縫寬度限值具有可比性,本模型采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010-2010)中公式:

        3 計(jì)算實(shí)例

        3.1 計(jì)算簡圖

        根據(jù)建筑物結(jié)構(gòu)圖(如圖2),本棟最大懸挑長度2.5 m,經(jīng)受力分析,等效于懸臂端集中荷載P=5 000 N,計(jì)算簡圖如圖3。集中荷載作用下鋼筋混凝土懸臂梁h/b=2~3的容許跨高比限值如表1。當(dāng)集中荷載作用下鋼筋混凝土懸臂梁h/b=2、(Gk+Qk)/l2≤2情況,跨高比上限取8.3~8.7,下限取5.9~6.8,用ABAQUS軟件對本例懸臂梁模擬分析,選用限值范圍內(nèi)的四組跨高比5、6、7、8進(jìn)行比較,分析不同跨高比下結(jié)構(gòu)的受力、撓度及裂縫寬度,并分析原因(考慮跨高比為單一變量定寬高比h/b=2,箍筋采用沿梁全長加密)。

        圖3 梁配筋示意

        表1 集中荷載作用下鋼筋混凝土懸臂梁h/b=2~3的容許跨高比上下限值

        混凝土采用C30,受力鋼筋、箍筋均選用HRB335,保護(hù)層厚度取C=35 mm,梁截面尺寸如圖3所示,混凝土、鋼筋特性及跨高比分組數(shù)據(jù)分別如表2~表4所示。

        表2 混凝土特性

        表3 鋼筋特性

        表4 跨高比分組數(shù)據(jù)

        3.2 ABAQUS有限元模型的建立

        本文用非線性有限元分析軟件ABAQUS建立鋼筋混凝土懸臂梁的三維有限元模型[7]、[8]。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的有限元模型有三種建模方式,分別是整體式模型、界面單元分離式模型和位移協(xié)調(diào)分離式模型。整體式是假定混凝土和鋼筋粘結(jié)很好,且將單元看作連續(xù)均勻材料,因此只需用混凝土單元模型,把鋼筋分布于整個(gè)單元中。界面單元分離式模型就是把混凝土、鋼筋用不同單元處理,并用彈簧單元連接,來模擬鋼筋與混凝土之間的滑移,這種建模方式能逼真的模擬鋼筋混凝土的實(shí)驗(yàn)力學(xué)行為,但是建模難度大,且工作量大。位移協(xié)調(diào)分離式模型是將鋼筋與混凝土用不同單元來處理,并將鋼筋和混凝土固結(jié)在一起,忽略兩者之間的相對滑移,實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)保護(hù)層厚度足夠時(shí),設(shè)置剪切連接鍵,滑移不是問題。本文結(jié)合工程實(shí)例采用位移協(xié)調(diào)分離式方法建模。

        在ABAQUS中,混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋可以通過鋼筋單元來實(shí)現(xiàn),可以添加單獨(dú)的鋼筋單元,也可以在單元屬性中附加鋼筋屬性以組合模型的鋼筋,還可以通過Embed[9]方法將鏈桿單元或者模單元嵌入混凝土單元,Embed可以把鋼筋和主體構(gòu)件分別顯示,方便對鋼筋性能的考察,本文采用Embed方法將鋼筋單元嵌入混凝土單元。

        混凝土采用8節(jié)點(diǎn)六面體線性減縮積分的三維實(shí)體單元C3D8R,該單元計(jì)算效率高且不易發(fā)生剪切自鎖;鋼筋采用三維二節(jié)點(diǎn)線性桁架單元T3D2,此單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)有水平和垂直兩個(gè)自由度,最終建立的懸臂梁有限單元如圖4所示。

        圖4 懸臂梁單元圖

        3.3 模擬結(jié)果及分析

        本工程選用限值范圍內(nèi)的四組跨高比進(jìn)行比較,利用ABAQUS非線性軟件繪制出集中荷載作用下,四組跨高比作用下懸臂梁的應(yīng)力、位移云圖如圖5~圖7。根據(jù)云圖繪制梁內(nèi)混凝土最大應(yīng)力、鋼筋最大應(yīng)力、最大撓度曲線如圖8、圖9。

        各曲線圖表明,混凝土、鋼筋應(yīng)力與撓度都隨著跨高比的增大而減小,比如跨高比為5~8時(shí),混凝土的應(yīng)力最大分別對應(yīng)為 1.05×106Pa、1.66×106Pa、2.59×106Pa、4.84×106Pa。由《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》[10]可知,鋼筋混凝土懸臂梁的正截面承載能力與梁截面的高度成正比,最有效提高鋼筋混凝土懸臂梁的正截面承載力的措施就是增大梁高,比增大配筋、提高混凝土強(qiáng)度更加有效。

        圖5 l/h=5~8混凝土的應(yīng)力云圖

        圖6 l/h=5~8鋼筋的應(yīng)力云圖

        圖7 l/h=5~8懸臂梁的位移云圖

        圖8 混凝土、鋼筋最大應(yīng)力

        圖9 最大撓度圖

        圖10 裂縫寬度變化曲線

        表5 各跨高比下懸臂梁的最大裂縫寬度

        由規(guī)范公式可知,在各跨高比下的裂縫寬度如表5,并繪制裂縫寬度變化曲線如圖10。圖中曲線表明當(dāng)跨高比取6時(shí),懸臂梁的最大裂縫寬度最小,這是由于跨高比的增大,雖然提高了截面剛度和強(qiáng)度,但是混凝土的自重也是我們在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的因素。跨高比取值過大,會增大自重,使得混凝土自重成為最主要的荷載來源(表4中的自重);而跨高比取值過小時(shí),剛度不夠,也可能使裂縫增大。

        根據(jù)各類性能曲線圖與裂縫寬度表繪制出規(guī)范限值表如表6。由表可知最大裂縫寬度限值、混凝土、鋼筋最大應(yīng)力與最大撓度都是滿足《規(guī)范》限值,說明文獻(xiàn)提供的跨高比限值是合理的。

        表6 規(guī)范限值滿足情況

        根據(jù)表6,規(guī)范限值采用的跨高比也僅僅只是一個(gè)范圍,設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)分析計(jì)算結(jié)合裂縫的控制等級,在范圍內(nèi)確定 最佳跨高比。本例對鋼筋混凝土懸臂梁受力、位移及使用性能綜合考慮,最終選定跨高比為6,即b=210 mm,h=420 mm。

        4 結(jié)論

        通過改變懸臂梁跨高比,分析其各項(xiàng)性能,從而選定懸臂梁梁截面,可以得出以下結(jié)論:

        鋼筋混凝土懸臂梁的跨高比對結(jié)構(gòu)有很大的影響,跨高比取值過小,會使得正截面抗彎能力和撓度滿足不了要求;取值過大,不僅自重大、造價(jià)高,而且使得裂縫寬度滿足不了要求。在集中荷載作用下,存在跨高比上、下限值,使得懸臂梁抗彎、撓度及抗裂驗(yàn)算滿足規(guī)范規(guī)定。

        若設(shè)計(jì)中為了滿足受力、撓度驗(yàn)算,一味增加梁高,不進(jìn)行裂縫寬度驗(yàn)算是不合理的。

        最佳跨高比的選擇,除了滿足受力、撓度及裂縫寬度規(guī)范限值之外,還要結(jié)合實(shí)際情況,比如建筑的裂縫控制等級、材料控制等等。

        以上結(jié)論都是在假定鋼筋混凝土懸臂梁結(jié)構(gòu)是按“強(qiáng)剪弱彎”設(shè)計(jì),且有一個(gè)理想的固定端,支座處無豎向位移、轉(zhuǎn)角,在實(shí)際工程中,這些條件是否滿足尚需注意。

        [1]GB50010-2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

        [2]林云云,蔣大驊.鋼筋砼懸臂梁的跨高比[J].建筑結(jié)構(gòu),1993(1):27-31

        [3]Wen-zhong ZHENG,Xiao-dong WANG.Ultimatestress increase in unbounded tendons in prestressed concre tebeams[J].Journal of Zhejiang University-SCIENCE A(Applied Physics&Engineerin g),2010,11(12):998-1014

        [4]石亦平,周玉蓉.ABAQUS有限元分析實(shí)例詳解[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010

        [5]雷拓,錢江,劉成清.混凝土損傷塑性模型應(yīng)用研究[J].結(jié)構(gòu)工程師,2008,24(2):22-27

        [6]張偉,伍鶴皋,蘇凱.ABAQUS在大體積鋼筋混凝土非線性有限元分析中的應(yīng)用評述[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào),2005,24(5):70-74

        [7]胥玉詳,朱玉華,趙昕,等.雙連梁受力性能研究[J].結(jié)構(gòu)工程師,2010,26(3):31-37

        [8]Xiangting Su,Zhengjun Yang,Guohua Liu.FINITE ELEMENT MODELLING OF COMPLEX 3DSTATIC AND DYNAMIC CRACK PROPAGATION BY EMBEDDING COHESIVE ELEMENTS IN ABAQUS[J].Acta Mechanica Solida Sinica,2010,23(3):271-282

        [9]劉林林,屠永清,葉英華.基于ABAQUS的鋼管混凝土L形柱有限元分析[J]. 沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2011,33(3):349-354

        [10]沈蒲生.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].北京:高等教育出版社,2007

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