四边固支钢筋混凝土板力学性能的影响因素分析

黄 伟

(1.淮南联合大学 建筑工程系,淮南 232038;2.安徽理工大学 能源与安全学院,淮南 232001)

四边固支钢筋混凝土板力学性能的影响因素分析

黄 伟1,2

(1.淮南联合大学 建筑工程系,淮南 232038;2.安徽理工大学 能源与安全学院,淮南 232001)

通过ANSYS计算软件对四边固支钢筋混凝土板进行力学性能的影响因素分析,通过建立模型和分析,得出不同影响因素下混凝土板的变形特征和应力分布规律,同时对作用相同荷载和约束条件下实心板和空心板进行分析比较,发现边长比和板截面形式对板的力学性能影响较大,配筋率和板厚对板的受力也产生一定的影响,选择适当模型参数将改善混凝土板的力学性能.

混凝土板;四边固支;力学性能;影响因素;有限元分析

钢筋混凝土板是最普通的钢筋混凝土结构构件,在工程建设中广泛使用.在钢筋混凝土结构的研究中,模型试验是非常重要的研究手段,它是建立和验证理论和计算方法的基础和依据.但模型制作和试验工作量大,试验费用高,试验结果有一定的离散性,而且需要很长的时间去完成.有限元数值分析是解决这一问题的较为有效、方便的手段之一,它不同于模型试验,它不需要大量的人力、物力和场地,也不受试验设备、加载条件的限制[1-3].本文以混凝土楼板为有限元研究模型,对影响其力学性能的因素进行分析,目的在于分析不同因素下楼板的变形特征、内力分布规律,并对空心板和实心板进行比较分析,对混凝土板结构的应用提供一些参考依据.

1 有限元模型的建立

1.1 模型的主要参数

混凝土强度等级为C40,混凝土弹性模量E=3.0×1010N/m2,泊松比μ=0.2,混凝土容重为25 kN/m3,单轴抗拉强度为ft=1.71 MPa,裂缝张开传递系数0.35,裂缝闭合传递系数1,关闭压碎开关[4-5].

1.2 模型单元的建立和参数设置

钢筋混凝土有限元模型根据钢筋的处理方式主要分三种,即分离式、整体式和组合式模型.本文采用整体式模型,将钢筋分布于整个单元中,假定混凝土与钢筋粘结良好,并把单元视为连续均匀材料[4].用SOLID65单元模拟混凝土单元,为了使计算顺利加速收敛,在板四周增加刚性垫梁,钢垫梁用SOLID45单元模拟,通过公用节点,使钢垫梁节点与相应的混凝土节点位移协调.这样可以避免支座处的应力集中,加速计算收敛[5].

在对结构进行网格划分时采用手动划分网格的方法,先划单元尺寸,然后用Sweep划分映射整个体,最后施加边界条件和荷载.网格划分尺寸采用50 mm为单位进行划分,板的几何模型和单元网格划分模型如图1、图2所示.所有模型均在表面施加2 MPa均布荷载进行计算,边界条件均为四周固定支承.

图1 实心板几何模型图

图2 实心板单元划分图

1.3 求解设置

为了得到较好的非线性性质,进行缓慢加载,将荷载分100个子步,打开ANSYS软件中的自动步长(AUTOTS)选项、线性搜索(LNSRCH)和时间步长选项,通过CNVTOL命令设置收敛准则等[6].

2 板影响因素的有限元计算与结果分析

2.1 不同边长比对板的影响

对于不同边长之比,混凝土楼板的力学性能也将明显不同.混凝土规范规定两边长之比小于2的为双向板,大于2的为单向板,但是没有提出边长不同对单向板和双向板的受力有何影响没有阐述.本文对两边长之比不同建立模型进行数值分析.模型取1:1,1:1.5,1:2,1:3,1:4,1:5,1:6共七个模型.图3和图4分别为两边长为1:1模型和1:3模型的竖向位移图和S1应力图.

从图3和图4中(a)图可以看出,随着两边长比值的改变,板产生的位移分布基本相同,当两边长比值增大时,板产生最大位移的核心部分,由原先的近似圆形变化为长条形,图5看出,随着边长比的增大,位移明显增大,尤其是1∶1到1∶2之间变化差值最为明显,1∶2以后板的最大位移变化逐渐变缓.图4(b)中可以发现,第一主应力图中出现四个应力峰值点,随着荷载的增加,这四个峰值点区域最先到达塑性区,从而出现混凝土理论上提到的塑性铰[7,8],随着荷载的增加,这些区域的混凝土板的最先发生破坏.图6中发现边长比为1∶3时,竖向应力产生最大值,随后应力又逐渐变小,所以在进行混凝土板设计时,应首先考虑板两边长之比,以达到最为合理的受力情况.

2.2 板的不同截面形式

随着施工技术的发展,混凝土空心楼板已经采用,本文主要分析实心板和空心板两种截面形式的应力和位移分布情况.选用两边长比为1∶2的模型进行有限元分析.空心楼板的模型如图7所示.边长比为1∶2空心板计算的位移云图如图8所示,从图8可以看出空心楼板各个节点的位移变化趋势,在支座处附近位移很小,越靠近板跨中位置位移越大.在相同荷载和约束条件下,空心板最大挠度为2.957 mm,实心板为2.331 mm,实心板的变形明显好于空心板,但从整体分析看,空心板不仅可以减轻结构自重,降低混凝土的用量,还能起到隔声隔热效果;图9为实心板和空心板的主应力分布图,空心板最大第一主应力为-15.411 MPa,实心板仅为-11.02 MPa,且空心板局部位置应力分布不均匀,在上下表层位置由于空腔的存在,应力较大,故空腔对板的局部受力是有影响的,所以楼板的截面形式对其力学性能影响较大,空心板因孔洞易形成应力集中,从而导致其产生峰值应力[9-10].综合各种因素,空心板在满足受力和变形的前提下,方可选用空心板.

2.3 板的厚度

根据我国混凝土结构规范规定一般混凝土板厚不宜小于50 mm,为了保证刚度,单向板的厚度不小于跨度的1/35,双向板的厚度不宜小于80 mm.本文取板边长比为1:2作为计算模型,对板厚为80 mm,100 mm,120 mm和150 mm进行有限元分析.计算结果如图10和图11所示,从图10中得出板厚的增加可以提高板的刚度,也就是明显减小板的最大挠度值.同时图11中也可以发现,随着板厚的增加,应力分布也明显改善,峰值应力有所降低,有利于提高板的承载能力.

图10 不同板厚的挠度图

图11 不同板厚的应力图

2.4 板的配筋率

图12 不同配筋率板的挠度图

混凝土规范提出对于钢筋混凝土板的配筋率一般为0.3%～0.8%.为了研究配筋率对混凝土板受力的影响,本文取边长比为1∶2板作为计算模型,分别对配筋率为0.5%、1%,1.5%、2%和2.5%五种情况进行有限元计算.

图13 不同配筋率板的应力图

从图12和图13得出随着配筋率的变化,位移变化比较明显,随着配筋率的增加,位移逐渐减小;但应力在1%配筋率前变化较大,1%之后变化比较平缓,应力分布变化比较平缓,所以适当配筋率不仅可以满足受力要求,还能减少钢筋用量.

3 结 语

本文利用ANSYS软件进行建模、网格划分、加载和结果后处理等,建立了混凝土板的有限元分析模型.在指定了相应的载荷和位移约束条件后,对其进行各种影响因素的力学分析,得到了各种情况下混凝土板在给定载荷作用下的变形和应力分布.研究结果表明:

(1)板的长短边尺寸和板厚对板的挠度和应力影响显著,而配筋率则对板的挠度影响相对较小.随着两边长比值的增大,挠度和应力显著增大,而增大板的厚度可使板的挠度显著减小.

(2)混凝土板的截面形式对其受力和变形也有很大影响,相同情况下,实心板优于空心板;空心板由于空腔的存在,使空心板在局部的位置,出现较大的应力和变形,所以进行空心板设计时,建议空心板上下区域设置一定数量的双向钢筋网,以缓解因空心板空洞引起的应力集中现象.

(3)有限元分析模型能体现混凝土板的整体受力情况,利用有限元的方法,可以弥补试验研究中参数变化少、模型试验复杂和试验周期长等缺点,因此该方法成为对混凝土板进行优化设计的一种新手段.

[1]谭 磊,刘锡军.现浇混凝土空心板有限元分析[J].湖南工程学院学报,2008,(3):92-94.

[2]陈慧刚,席丁民.基于ANSYS的现浇钢筋混凝土空心板自重模拟[J].四川建筑科学研究,2007,(3):53-55.

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Analysis of Mechanics Performance Influence Factors on Four Sides Retaining Steel Concrete Slab

HUANG Wei1,2
(1.Huainan Union of University Construction Engineering Department,Huainan 232038,China;2.Anhui University of Science and Technology Energy and Security Institute,Huainan 232001,China)

T his article analyzes the mechanics performance influence factors on four sides retaining steel concrete slab through the ANSYS software.Through the establishment model and finite element analysis,the steel concrete slab distortion characteristics and stress distribution rule under the different influence factors are obtained Simultaneously the solid slab and hollow slab under the same load and constraint condition are analyzed and compared.The mechanics performance major influence factors at the ratio of side length and slab section are discovered.The ratio of reinforcement and thickness of slab stress and distortion also has certain influence.So choising the suitable model parameter can improve steel concrete slab mechanics performance.

concrete slab;four sides retaining;mechanics performance;influence factors;finite element analysis

TU311.3

A

1671-119X(2010)02-0086-05

2009-09-02

淮南联合大学引进人才科研资助项目(RC0703)

黄 伟(1980-),男,博士研究生,助教,研究方向:建筑工程.