祖慶芝

(漳州職業(yè)技術(shù)學院 建筑工程學院 ,福建 漳州 363000)

鋼筋混凝土是由鋼筋和混凝土2種材料組成的,鋼筋混凝土的出現(xiàn)有效推動我國國民經(jīng)濟的發(fā)展.由于鋼筋混凝土的拉力和承受力較高,使其廣泛應用建筑行業(yè)中[1-2].

由于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是一種特殊的復合材料,復雜性和特殊性較強,同時現(xiàn)階段有關(guān)于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的分析研究受到了環(huán)境以及人為等多重因素的干擾,想要精確分析組成結(jié)構(gòu)具有較大的難度.考慮到這些比較復雜的因素,需要精確分析鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)從加載到破壞的全過程是十分困難的.針對上述問題,國內(nèi)外相關(guān)專家進行了大量的研究.寧可等[3]優(yōu)先組建箱體三維模型,通過Ansys軟件進行有限元分析.魯亮等[4]通過CR-RCFC搖擺機制和對應節(jié)點構(gòu)建有限元模型,同時對地震作用下的動力時程進行分析,得到不同地震作用下的結(jié)構(gòu)動力特性.在上述已有方法的基礎(chǔ)上,本文提出一種基于Ansys的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)非線性有限元分析方法.仿真實驗結(jié)果表明,所提方法得到的模擬結(jié)果和真實結(jié)果更加接近,充分驗證了所提方法的有效性和優(yōu)越性.

1 分析方法

1.1 鋼筋混凝土的框架結(jié)構(gòu)分析

1) 破壞曲面.

根據(jù)混凝土的破壞準則能夠設定滿足應力和應變狀態(tài)的約束條件.

通常情況下,應力狀態(tài)主要通過坐標{ζ,r,θ}描述,具體如圖1所示.將{σ1,σ2,σ3}設定為坐標軸的主應力空間,其中點P{σ1,σ2,σ3}的應力狀態(tài)可以通過矢量OP代表.

2) 破壞準則.

混凝土的破壞強度和它所在的應力狀態(tài)存在密切關(guān)聯(lián).一般情況下,在結(jié)構(gòu)沒有受到破壞前期,需要將其設定為同性體,所以破壞準則和坐標之間的選擇是不存在任何聯(lián)系的[5-6],即不需要通過應力狀態(tài)對應的不變量表示,而是通過{ζ,r,θ}表示,其中對應的破壞準則能夠表示為

f{ζ,r,θ,k1,k2,…,kn}=0,

(1)

式中:k1,k2,…,kn為實驗確定的主要參數(shù).

3) 破壞模型.

由于鋼筋混凝土的真實性和強度是十分復雜的,同時也和多種因素存在關(guān)聯(lián).研究破壞準則的主要目的就是確定函數(shù)的具體表達形式以及實驗中各個參數(shù)的取值[7-8].

(a)

(b)圖1 應力狀態(tài)下的坐標

結(jié)合破壞準則中的參數(shù)數(shù)量,能夠?qū)⑵茐臏蕜t劃分為單數(shù)和雙數(shù)破壞準則.

1.2 基于Ansys的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)非線性有限元分析

通過有限元分析軟件構(gòu)建鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)三維實體結(jié)構(gòu)模型,具體的建立流程如圖2所示.

圖2 鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)三維實體結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建流程

對鋼筋混凝土進行有限元分析的過程中,需要將其中的2種材料進行離散化處理.其中,混凝土占據(jù)的比例較大,主要負責承受壓力,而鋼筋被混凝土包裹在里面,主要負責承受來自各方的拉力.針對鋼筋的處理方式,能夠?qū)⒛Ｊ絼澐譃?種不同的形式,具體如下所示:

1) 分離式模型.

分離式模型是使用范圍比較廣的一種模型.在構(gòu)建模型的初始階段,需要優(yōu)先將已有材料劃分為規(guī)格相同的結(jié)構(gòu)單元.在實際應用鋼筋的過程中,不需要考慮橫向抗剪強度,結(jié)合線性單元進行分析和研究,避免大量數(shù)據(jù)單元的形成[9].如果鋼筋和混凝土之間出現(xiàn)相對滑移的現(xiàn)象,則需要對兩者之間的滑移現(xiàn)象進行模擬;否則,則說明其是剛性粘結(jié).

2) 組合式模型.

組合式模型主要被應用于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的相對滑移分析[10].

3) 整體式模型.

整體式模型在組建鋼筋混凝土模型時,需要結(jié)合配筋率進行將鋼筋均勻分布在混凝土中,進而推導出2種不同單元的剛度矩陣,具體計算形式如式(2)和式(3)所示.

[K]=[B]T[D][B]dV，

(2)

[D]=[Dc]+[Ds].

(3)

式中:[B]為幾何矩陣;[Dc]為混凝土的應變能力矩陣;[Ds]為鋼筋的應力應變矩陣.

在模擬鋼筋混凝土周圍材料時,如果土體為離線的彈性塑料模型[11-12],通過Drucker-Parger屈服準則和關(guān)聯(lián)流動法則.其中,D-P屈服準則對應的等效應力表達式為

(4)

式中：{S}為偏應力;σm為平均應力的取值大小;β為材料常數(shù),主要是由受壓和受拉伸屈服應力或者是摩擦角推算出,對應的表達式為

(5)

式中:φ為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的摩擦力;C為混凝土的黏度;σt為鋼筋能夠承受的最大拉伸力;σc為受壓屈服應力.

其中,內(nèi)摩擦角對應的表達式為

(6)

2 鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)實例分析

2.1 實驗概況

1) 水泥選取耀縣425#普通硅鹽酸水泥,砂為河砂,石頭為鵝卵石,粒徑在15～25 mm.

2) 混凝土配合比.水泥、水、砂、石子的比例為297∶190∶708∶1 025,其中混凝土塌落度控制在30～50 mm.

3) 鋼筋選取I級φ10的圓鋼,箍筋使用I級φ6的圓鋼.

4) 角鋼使用25 mm×25 mm×2 mm規(guī)格的Q235角鋼.

5) 立方體試塊的規(guī)格為150 mm×150 mm×150 mm,主要分為5批進行澆筑,每批共3塊.

6) 鋼筋混凝土柱截面為120 mm×120 mm,長度為1 m.

表1給出立體試塊的平均強度值.

表1 立方體試塊平均強度

表2～3給出鋼筋和角鋼試樣的平均屈服強度.

表2 鋼筋的平均屈服強度

表3 角鋼的平均屈服強度

2.2 實驗結(jié)果分析

在粘鋼加固的過程中,為了方便進行比較分析,設定全部配件的規(guī)格相同,具體情況如表4所示.

表4 試件基本情況

分析粘鋼加固混凝土梁中的破壞載荷試驗值和計算值之間的差值,計算結(jié)果如表5所示.

表5 破壞載荷對比結(jié)果

分析表5中的實驗結(jié)果可知:試驗值誤差結(jié)果控制在5 kN內(nèi).雖然在實際計算的過程中,粘鋼和緩凝體間的位移處于比較和諧的狀態(tài),但是整個結(jié)構(gòu)中梁的高度已經(jīng)遠遠超出實際情況.同時在實驗過程中裂縫開關(guān)處于開啟狀態(tài),會導致混凝土過早產(chǎn)生裂痕,整個鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的極限載荷取值會明顯比實驗值更低一些.

分別針對未進行加固和加固粘鋼厚度不同的混凝土梁進行有限元分析,得到不同的載荷-撓度曲線如圖3所示.

圖3 粘鋼加固混凝土荷載-撓度曲線對比

3 結(jié)論

上述實驗數(shù)據(jù)是通過具體實驗測試得到的,通過準確的計算結(jié)果,能夠得到如下結(jié)論:

1) 當對鋼筋混凝土粘鋼進行加固處理后,整體承載能力得到有效增加,同時跨中撓度也得到了有效控制.

2) 當載荷取值較小時,各梁對應的曲線基本都為線性.

3) 通過加大粘鋼厚度能夠有效約束跨中撓度,同時當粘鋼超過一定的厚度對混凝土承載能力的提升并不顯著.