预应力区域约束混凝土梁性能研究

2018-01-11商开友田洪垸

山西建筑 2017年36期

商开友田洪垸

(1.贵州广播电视大学(贵州职业技术学院)，贵州贵阳 550000； 2.贵州省建筑设计研究院有限责任公司，贵州贵阳 550003)

1 概述

在高层建筑中，由于要满足设计性能要求，计算出来的构件截面尺寸往往过大，从而降低了有效使用空间，因此造成了建筑功能与结构设计之间的矛盾，如果采用区域约束混凝土构件，则这种矛盾可以得到缓解。不仅可以取得良好的经济效果，更重要的是构件截面尺寸得到减小，建筑物有效使用面积得到增加，并且使建筑美观的要求得到满足。

预应力区域约束混凝土梁是由曹新明教授首次提出的一种新型的结构类型，它是建立在区域约束混凝土梁的基础上综合预应力钢筋混凝土的优点而衍生出来的。对区域约束混凝土梁施加预应力，可以使混凝土脆性材料成为一种具有延性的材料，可以更好的利用高强度混凝土材料，充分发挥材料的特性，同时降低结构自重；降低最大拉应力，降低有效应力幅，从而增强结构的疲劳抗力；提高极限承载力，减小结构变形；延迟负弯矩区混凝土裂缝的出现；增强约束混凝土梁的刚度，有效地降低应力幅，增强预应力区域约束混凝土梁的疲劳寿命，提高其承载能力。

基于区域约束混凝土结构前期研究，要充分发挥约束混凝土的特点需让混凝土尽量处于三向受压状态。结合预应力技术，利用区域约束的方式对受弯构件加以改造，从而获得良好的工作特性是预应力区域约束混凝土梁期望达到的。

2 预应力区域约束混凝土梁非线性有限元分析

2.1 模型建立

现有一预应力区域约束混凝土纯弯简支梁，跨度6 200 mm，截面尺寸如图1所示。混凝土采用C40，钢筋采用Q400，预应力束采用1×7φs15.2，材料参数见表1。

建立整个试件的有限元模型。加载方式与构件实际受力方式相同，为了尽可能模拟预应力区域约束混凝土框架梁在实际结构中的受力状态，在模型中约束了梁左端一排节点XY方向的自由度，并约束了梁右端一排节点XYZ方向的自由度。加载面垫上钢垫板，防止模型因受力集中而造成加载面破坏；网格划分尺寸为50。

表1 预应力区域约束混凝土梁材料参数

2.2 加载求解

将荷载施加到实体模型上。ANSYS程序通过力、位移以及力与位移混合三种方式来判断所求解问题的收敛与否。一般都采用基于力的收敛准则，本章进行的是非线性(材料非线性)有限结构元分析，力与位移之间并非一一对应的关系，分析时采用基于力的收敛准则进行控制。本文模型加载分两荷载步：第一荷载步，通过等效荷载法施加预应力，根据理论计算的有效预应力确定施加预应力值。第二荷载步，在构件中部施加外荷载P，P荷载足够大，当构件不收敛时，则认为此时构件破坏。将预应力与外荷载分成两个荷载步，按荷载步顺序求解，则第二荷载步每一个子步的计算荷载为第一荷载步加上第二步新施加的荷载子步。

2.3 混凝土的压碎模拟

当混凝土单元在某个积分点处的应力状态达到单轴、双轴或三轴应力极限时，则认为该点材料压碎破坏，在ANSYS中混凝土的开裂采用弥散裂缝模式。当同时让Solid65单元考虑开裂和压碎时，不易收敛，本文不考虑其压碎功能(单轴压下考虑)。

2.4 求解控制

通过大量的试算，本算例打开自动时间步长，让程序自动选择计算方法，打开大变形开关，激活应力刚化效应，采用力收敛准则精度为5%。

2.5 ANSYS分析结果

对算例建立模型在外荷载作用下所表现的特征进行了仿真分析，并通过有限元分析结果得出荷载—挠度曲线如图2所示。分析的目的主要是确定极限承载力。确定极限荷载的方法是：建模时未考虑混凝土压碎，在构件上作用足够大的外荷载，即能够达到破坏荷载，当计算不收敛而退出时则认为在该时刻构件达到破坏，梁的极限荷载则为倒数第二个子步时刻所施加在梁的荷载。同时可以分别提取不同子步数时模型的变形、混凝土应变、纵筋应力、裂缝分布等图形。挠度随着外荷载的增加不断发展，从初始零状态至正常使用极限状态，跨中挠度与荷载近似呈线性关系。根据初始裂缝的应力图，在进行到第38子步时，出现初始裂缝，下部受拉区混凝土拉应力为8.8 MPa,这时的外荷载弯矩为125 kN·m左右，荷载—挠度曲线呈上升的趋势，说明构件受拉区混凝土开裂，梁刚度下降。观察整个构件模型的变形、混凝土应变、纵筋应力、裂缝分布情况，当外荷载弯矩小于500 kN·m时，构件处于弹性工作阶段，挠度与荷载近似呈线性关系；当外荷载弯矩大于500 kN·m时，构件处于弹塑性工作阶段，构件刚度降低，荷载和挠度之间呈非线性关系；当达到极限弯矩687 kN·m时，此时受拉区混凝土早已退出工作，主要由预应力和受拉区非预应力钢筋承担，该阶段荷载—挠度曲线表现为接近竖直曲线，显示出构件在极限破坏荷载下的塑性破坏现象。

ANSYS分析得出的荷载—挠度曲线图与理论计算值相比较如图3所示。由图3可知，在加载初期即弹性阶段，ANSYS计算值与理论计算值基本相同，即外荷载弯矩小于500 kN·m时。在混凝土进入弹塑性阶段后，即外荷载弯矩小于500 kN·m时，ANSYS计算值与理论计算值开始有差异，在相同外荷载弯矩作用下，ANSYS计算值大于理论计算值。这是因为理论计算是基于规范相关的计算公式，采用设计强度值。而ANSYS计算时混凝土采用的是单轴抗压强度，理论计算公式相对保守。到加载末期构件接近破坏时，ANSYS计算值与理论计算值的差异明显加大，造成这种差异的原因，主要由于理论计算中预应力部分是根据普通预应力结构相关规范，说明了规范并不适用于预应力区域约束混凝土，需在后面进行试验研究来确定预应力区域约束混凝土梁的计算公式。

根据参考文献[4]提供的普通无粘结预应力梁的试验数据和有限元分析结果与预应力区域约束混凝土进行对比。由于试验采用构件尺寸(如图4所示)与本文分析的构件尺寸不一样，所以不能完全进行对比，但从荷载—挠度曲线(如图5所示)的走向看出与本文分析荷载—挠度曲线基本一致。将普通无粘结预应力梁有限元分析结果与本文有限元分析结果对比可知，预应力区域约束混凝土梁比预应力梁的极限承载力提高18%左右。通过规范推荐的相关公式计算两种构件的极限承载力，并进行对比可知，预应力区域约束混凝土梁比预应力梁的极限承载力提高22%左右。