预应力型钢混凝土柱框架结构数值模拟

2010-08-21刘秀华于春海

山西建筑 2010年13期

刘秀华于春海

1 概述

型钢混凝土柱较普通钢筋柱具有刚度大、承载力高、断面尺寸小及抗震性能好等优点。带预应力钢筋的混凝土梁较普通混凝土梁相比能够显著改善结构正常使用极限状态的限制。为此,将预应力混凝土梁和型钢混凝土柱相结合的新型结构具有广阔的应用前景[1,2]。

2 有限元模型

1)整体式模型:把单元视为连续均质材料,将钢筋弥散于单元中。钢筋对整个结构的作用通过调整单元的材料力学性能来体现。整体式模型可采用ANSYS中各种平面单元或三维单元。这种单元的精度很低,它无法揭示钢筋和混凝土之间作用的微观机理;2)组合式模型:组合式模型介于分离式模型和整体式模型之间,不能考虑混凝土和钢筋间的粘结滑移。在单元分析时,分别计算混凝土和钢筋对单元刚度的贡献,组成一个复合的单元刚度矩阵。这种模型处理裂缝的方式为分布型裂缝。直接利用Solid65提供的实参数建模,其优点是建模方便,分析效率高,而缺点是不适用于钢筋分布较不均匀的区域,且得到钢筋内力比较困难。主要用于有大量钢筋且钢筋分布较均匀的构件中,譬如剪力墙或楼板结构;3)分离式模型:将混凝土和钢筋分别划分成足够小的单元,按照混凝土和钢筋不同的力学性能选取不同的单元类型。分离式模型又分为两种:位移协调:不考虑粘结滑移,利用空间杆单元Link8建立钢筋模型和混凝土单元共用节点。其优点是建模比较方便,可以任意布置钢筋并可直接获得钢筋的内力。缺点是建模比整体式模型要复杂,需要考虑共用节点的位置,且容易出现应力集中而拉坏混凝土的问题,从而导致收敛问题;位移不协调:考虑粘结滑移,需引入粘结单元(ANSYS中,通常利用非线性弹簧单元Combin39,这种单元没有实际尺寸,只需布置在混凝土和钢筋的共用节点之间)。一般来说,钢筋混凝土结构中钢筋和混凝土之间都有比较良好的锚固,钢筋和混凝土之间滑移带来的问题不是很严重,一般不必考虑。

3 建模所选单元

1)混凝土单元。ANSYS的Solid65单元是专为混凝土、岩石等抗压能力远大于抗拉能力的非均匀材料开发的单元。它可以模拟混凝土中的加强钢筋,以及材料的拉裂和压溃现象。它是在三维8节点等单元Solid45的基础上,增加了针对混凝土的性能参数和组合式钢筋模型,采用多线性等向强化模型。其本构关系采用现行GB 50010-2002混凝土结构设计规范[4]建议的两段式模型。破坏准则为5参数Willam-Warnke破坏准则。2)钢筋单元。Link8单元是一种三维单轴拉—压单元,每个节点具有三个自由度:XYZ轴向位移。它不具有抗弯能力,没有抗弯刚度,但是具有塑性、蠕变、膨胀等非线性特性。本文模型中采用Link8单元模拟普通钢筋及预应力钢筋,本构模型采用理想弹塑性模型。3)型钢单元。Shell181为4节点壳单元,该单元可以支持线性分析、材料塑性、硬化刚度、大应变和大变形分析,适合分析薄板及中厚板壳结构。

4 算例分析

一型钢混凝土柱预应力混凝土梁框架结构,跨度8.4 m,柱高1.61 m,梁柱截面尺寸如图1所示。混凝土为C35,泊松比为0.2;箍筋为HPB235级,纵筋为HRB335级,预应力筋采用φs15.2高强低松弛钢绞线,抗拉强度标准值为1 860 MPa,张拉控制应力0.75fptk,采用应变方式施加预应力;柱中型钢为Q235Ⅰ280×122×8.5×13.7[5]。