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        混凝土管片接頭接觸特性的有限元模擬研究★

        2020-05-05 02:15:46李守巨
        山西建筑 2020年9期
        關(guān)鍵詞:軸力管片屈服

        李守巨

        (大連理工大學(xué)工程力學(xué)系,遼寧 大連 116024)

        1 概述

        混凝土管片是地下隧道支撐土水壓力的結(jié)構(gòu),隧道每環(huán)混凝土管片襯砌一般由6個~8個獨(dú)立的管片組成,管片之間通過螺栓連接成一個圓形的襯砌結(jié)構(gòu)?;炷凉芷宇^的力學(xué)性能和極限承載能力對于整個襯砌結(jié)構(gòu)有著重要的影響,早已引起國內(nèi)外學(xué)者和工程技術(shù)人員的普遍關(guān)注,并且已經(jīng)進(jìn)行了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究。Majdi研究了不同類型管片接頭的彎矩—轉(zhuǎn)角特性[1],李守巨研究了管片軸力對混凝土管片極限承載力影響[2],建立了管片接頭抗彎極限承載力的簡化計算解析模型[3],Arnau數(shù)值模擬了混凝土管片的受力和變形特性[4],Li測驗(yàn)實(shí)驗(yàn)和解析方法研究了混凝土管片接頭受力張開特性[5]。張建剛數(shù)值模擬了混凝土管片接頭的接觸特性[6],莊曉瑩提出了混凝土接頭的彈塑性損傷計算模型[7]。本文的目的在于基于接觸理論和混凝土與連接螺栓的彈塑性本構(gòu)關(guān)系,數(shù)值模擬混凝土管片接頭在2 000 kN固定不變軸力條件下,管片接頭接觸應(yīng)力和開度隨彎矩的變化特性,為后續(xù)進(jìn)行的管片接頭實(shí)驗(yàn)提供參考依據(jù)。

        2 混凝土管片接頭接觸特性的有限元模擬

        如圖1所示,C80混凝土管片厚度700 mm,管片寬度500 mm,管片接頭的高度1 800 mm。管片接頭連接螺栓的直徑為38 mm,螺栓與接觸面的夾角為60°,其屈服強(qiáng)度為400 MPa。

        如圖2所示,混凝土管片由A1和A2組成,其中A1和A2的交線為管片接頭的接觸面,A3和A4模擬的金屬加載梁,在有限元計算模型的底部為位移和轉(zhuǎn)角全部約束,在A3的頂部施加垂直向下的軸力(FN),在A4的右端施加垂直向上的荷載(FM),使得管片接頭產(chǎn)生偏心受壓彎矩。有限元模型單元尺寸20 mm。對于C80混凝土和螺栓采用雙線性本構(gòu)模型,混凝土屈服強(qiáng)度80 MPa,彈性模量Ec=40 GPa,泊松比0.25,屈服后切線模量ECT=0.1 GPa。螺栓屈服強(qiáng)度360 MPa,螺栓彈性模量ES=200 GPa,泊松比0.167,屈服后切線模量EST=1 GPa。采用ANSYS有限元分析軟件,分別定義管片接頭的兩個面為目標(biāo)面和接觸面,并且設(shè)定混凝土管片接頭之間的摩擦系數(shù)為0.5。然后,設(shè)定接觸面的實(shí)常數(shù),例如法向罰剛度取為默認(rèn)值。在偏心受壓加載過程中,始終保持軸力為常數(shù),即:FN-FM=2 000 kN;而管片所承擔(dān)的彎矩隨著FM的增加而增大。

        從圖3中可以看出,管片接頭的最大開度為3.4 mm,大約大于50%的接頭處于張開狀態(tài),螺栓拉應(yīng)力為35 MPa。圖3中的穿過管片接頭接觸面的斜線為連接螺栓,采用梁單元進(jìn)行數(shù)值模擬。從圖4中可以看出,管片接頭接觸面上的最大接觸壓力24.5 MPa,小于混凝土的極限抗壓強(qiáng)度80 MPa,管片接頭受壓區(qū)高度為295 mm。從圖5中可以看出,管片接頭接觸面上的最大接觸壓力47.7 MPa,小于混凝土的極限抗壓強(qiáng)度80 MPa,螺栓拉應(yīng)力213 MPa,小于屈服極限360 MPa,受壓區(qū)高度為210 mm。

        從圖6中可以看出,管片接頭的最大開度11.4 mm,管片接頭張開的范圍大約達(dá)到管片厚度的2/3。

        從圖7,圖8可知,此時管片接頭受壓區(qū)高度175 mm,管片接頭的最大開度為17.4 mm,連接螺栓已經(jīng)達(dá)到屈服狀態(tài)。

        從圖9,圖10中可以看出,管片接頭最大接觸應(yīng)力達(dá)到了混凝土的極限強(qiáng)度80 MPa,接頭連接螺栓拉應(yīng)力大于材料的屈服強(qiáng)度,連接螺栓已經(jīng)屈服。接頭張開部分達(dá)到了580 mm,占接頭厚度的83%。

        表1 管片接頭最大開度、受壓區(qū)高度隨彎矩的變化

        從表1中可以看出,在2 000 kN軸力固定不變條件下,當(dāng)管片接頭的彎矩小于1 000 kNm時,連接螺栓沒有達(dá)到屈服狀態(tài),管片接頭的最大接觸壓力小于混凝土的抗壓強(qiáng)度。當(dāng)彎矩達(dá)到1 000 kNm時,連接螺栓已經(jīng)達(dá)到屈服狀態(tài),管片接頭的最大接觸壓力65 MPa,混凝土還沒有達(dá)到極限狀態(tài)。當(dāng)彎矩達(dá)到1 500 kNm時,管片接頭的最大接觸壓力85.1 MPa,混凝土已經(jīng)達(dá)到極限狀態(tài),連接螺栓也已經(jīng)屈服,這是混凝土管片接頭的極限承載力。

        3 結(jié)語

        基于接觸理論和混凝土以及連接螺栓的非線性本構(gòu)模型,數(shù)值模擬了混凝土管片接頭在2 000 kN軸力固定不變條件下,管片接頭最大開度、受壓區(qū)高度隨彎矩的變化特性。研究表明,當(dāng)彎矩達(dá)到1 000 kNm時,連接螺栓已經(jīng)達(dá)到屈服狀態(tài),管片接頭的最大接觸壓力65 MPa,混凝土還沒有達(dá)到極限狀態(tài)。當(dāng)彎矩達(dá)到1 500 kNm時,管片接頭的最大接觸壓力85 MPa,混凝土已經(jīng)達(dá)到極限狀態(tài)。有限元數(shù)值模擬結(jié)果為管片接頭極限承載力實(shí)驗(yàn)提供參考和指導(dǎo)。

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