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        兩類石膏模殼空腹樓蓋結(jié)構(gòu)彈塑性分析

        2020-10-12 06:26:38曹文澤
        貴州農(nóng)機(jī)化 2020年3期
        關(guān)鍵詞:架式樓蓋彈塑性

        曹文澤,趙 勇

        (1.貴州理工學(xué)院 土木工程學(xué)院,貴州 貴陽 550003;2.貴陽學(xué)院 城鄉(xiāng)規(guī)劃與建筑工程學(xué)院,貴州 貴陽 550005)

        0 引言

        將磷石膏制成空腔模殼,施工時(shí)預(yù)埋于樓蓋中部,澆筑成型后,混凝土與中部石膏空腔模與合成一體,形成磷石膏空腹樓蓋[1]。 空腹樓蓋因具有較好的受力性、保溫性和經(jīng)濟(jì)性,廣泛地應(yīng)用于工程實(shí)際中。 將工業(yè)廢料磷石膏制成模殼內(nèi)置于樓蓋內(nèi)還能進(jìn)一步利用工業(yè)廢料,減少對環(huán)境的污染[2]。 目前針對空腹樓蓋主要以彈性靜力分析為主[3-5],分析時(shí)假設(shè)樓蓋是彈性的,未發(fā)生塑性變形與開裂,這與樓蓋結(jié)構(gòu)實(shí)際工作狀況存在較大差異。

        彈塑性分析可以模擬樓蓋從彈性工作階段到開裂破壞全過程,分析結(jié)果較彈性分析準(zhǔn)確。本文以文獻(xiàn)[6]靜力分析為基礎(chǔ),對兩類磷石膏空腹樓蓋進(jìn)行彈塑性分析,觀察樓蓋的應(yīng)力分布情況、裂縫開展以及撓度變化。

        1 有限元模型

        根據(jù)文獻(xiàn)[6]中所用的樓蓋尺寸與配筋結(jié)果建立分析模型,具體尺寸及配筋見圖1。 由于樓蓋模型的對稱性,在計(jì)算分析時(shí)僅建立1/4模型。

        1)定義材料屬性,混凝土的彈性模量取3.15×104N/mm2,泊松比0.2,依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》建議的模型定義混凝土本構(gòu)關(guān)系(圖2),抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為2.2 N/mm2;鋼筋采用理想彈塑性力學(xué)模型(圖2),不考慮鋼筋上屈服極限和強(qiáng)化階段的影響,鋼筋彈性模量取2.0×105N/mm2,泊松比0.3。

        2)選取Solid65 為樓蓋分析單元,網(wǎng)格劃分控制尺寸取100 mm,柱底施加固定約束,在樓蓋1/4 對稱面上施加對稱約束,附加恒載取2 kN/m2,活載取3.5 kN/m2,并進(jìn)行荷載組合。

        3)ANSYS 求解,由于材料本構(gòu)關(guān)系設(shè)定為多段,故在彈塑性分析時(shí)將總荷載分成10 級,分級施加到樓蓋結(jié)構(gòu)上,每級求解完成后,再施加下一級荷載,直至所有計(jì)算完成。

        圖1 樓蓋配筋與結(jié)構(gòu)布置圖

        圖2 材料應(yīng)力應(yīng)變曲線

        2 第一主應(yīng)力及裂縫發(fā)展變化

        加載初期,樓蓋結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài),隨著荷載的逐級加大,樓蓋應(yīng)力較大的部位率先達(dá)到開裂荷載值,混凝土開裂,隨著荷載的進(jìn)一步加大,未開裂部位樓蓋應(yīng)力繼續(xù)增長,使得裂縫得以發(fā)展,未開裂部位相繼開裂。 兩類空腹樓蓋其應(yīng)力分布及裂縫發(fā)展如表1 和表2 所示。

        通過表1 和表2 可知,兩類樓蓋在彈性狀態(tài)下,因內(nèi)部剪力鍵分布的差異,應(yīng)力分布稍有差異,隨著樓板的開裂,應(yīng)力分布也相應(yīng)發(fā)生變化,對比兩類空腹樓蓋應(yīng)力分布圖可發(fā)現(xiàn),板架式空腹樓蓋因內(nèi)部剪力鍵分布均勻,應(yīng)力分布更加接近實(shí)體板;9 區(qū)格式空腹樓蓋因內(nèi)部梁分布較集中,應(yīng)力在樓蓋上下層板與內(nèi)部梁交界處變化明顯。

        兩類樓蓋的開裂順序均為先是板頂柱端區(qū)域,然后是板底跨中。 兩類空腹樓蓋的開裂荷載相同,當(dāng)荷載加至3.65 kN/m2時(shí)板頂柱端區(qū)域最先開裂;加至5.11 kN/m2時(shí),樓蓋板底中部開裂,加至7.3 kN/m2時(shí),樓蓋裂縫大面積分布,9 區(qū)格式空腹樓蓋裂縫區(qū)域略大于板架式空腹樓蓋。

        表1 板架式空腹樓蓋應(yīng)力及裂縫發(fā)展變化

        表2 9 區(qū)格式空腹樓蓋應(yīng)力及裂縫發(fā)展變化

        3 撓度分析

        根據(jù)荷載的分級,逐級提取樓蓋中部最大撓度值,兩類空腹樓蓋隨荷載逐級增加的荷載-撓度曲線見圖3。 從荷載-撓度曲線可知,前幾子步的撓度曲線接近一次線性關(guān)系,說明前6 子步樓蓋剛度無較大變化,兩類樓蓋板底未開裂。 第6子步后,撓度曲線斜率變大,樓蓋撓度較快增長,說明樓蓋板底開裂,樓蓋剛度減弱較大。 荷載加載完畢時(shí),板架式樓蓋撓度為23.35 mm,9 區(qū)格式樓蓋撓度為25.84 mm,兩類空腹樓蓋撓度均低于設(shè)計(jì)規(guī)范限值L/250=36 mm[7]。

        圖3 樓蓋荷載-撓度曲線

        4 結(jié)語

        1)兩類空腹樓蓋應(yīng)力分布總體上相似,板架式空腹樓蓋因內(nèi)部剪力鍵分布均勻,應(yīng)力分布更加接近實(shí)體板;9 區(qū)格式空腹樓蓋因內(nèi)部梁分布較集中,應(yīng)力在樓蓋上下層板與內(nèi)部梁交界處變化明顯。

        2)兩類空腹樓蓋的開裂順序均為先是板頂柱端區(qū)域,然后是樓蓋底板跨中,板頂柱端區(qū)域開裂時(shí),樓蓋剛度變化不大,樓蓋底板開裂對樓蓋整體剛度有較大削弱。

        3)兩類空腹樓蓋的荷載-撓度曲線變化規(guī)律相似,板架式空腹樓蓋剛度略好于較9 區(qū)格式空腹樓蓋,兩類空腹樓蓋剛度均滿足行業(yè)規(guī)范要求。

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