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2013-08-11 by:廣州Ansys中心 來(lái)源:仿真在線
ANSYS在組合扁梁承載力性能研究中的應(yīng)用
1 前言
鋼—混凝土組合梁的混凝土樓板擱置在鋼梁的上翼緣上,通過(guò)栓釘剪力連接件將鋼梁和混凝土樓面板連成整體而共同工作,混凝土樓板既承受豎向荷載,又作為組合梁的翼緣參與梁的受力,使梁由純鋼梁受彎狀態(tài)改變?yōu)榛炷潦軌汉弯摿菏芾瓲顟B(tài),從而達(dá)到了充分利用材料的目的。近年來(lái),為了降低結(jié)構(gòu)的高度,又充分考慮樓蓋對(duì)梁剛度的加強(qiáng)作用,出現(xiàn)了將混凝土樓板放置在鋼梁的下翼緣上的組合扁梁,如圖1 所示。
組合扁梁樓蓋由鋼梁和預(yù)制鋼筋混凝土空心樓板組成,其中預(yù)制鋼筋混凝土樓板搭在鋼梁的下翼緣上。加配橫向鋼筋和鋼絲網(wǎng)是為了保證在扁梁達(dá)到強(qiáng)度極限狀態(tài)之前不發(fā)生混凝土板縱向剪切破壞,剪力連接件是保證剪力有效地傳遞及疊合板共同工作。
組合扁梁受力比較復(fù)雜,很難用解析方法求其精確解。本文采用有限元分析軟件ANSYS對(duì)簡(jiǎn)支組合扁梁、懸臂組合扁梁和框架組合扁梁的承載力、剛度和延性等特征進(jìn)行了研究,并與足尺試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較,吻合良好。
2 組合扁梁承載力分析方法
ANSYS 以比較完善的有限元理論為依據(jù),有強(qiáng)大的非線性分析功能,可以處理混凝土梁中配置鋼筋、混凝土的開(kāi)裂和壓潰等復(fù)雜問(wèn)題,用于進(jìn)行試驗(yàn)仿真分析非常方便。本文的有限元分析,主要用到ANSYS 提供的線單元和塊單元兩種類(lèi)型:LINK8,SOLID45 和SOLID65。LINK8 單元模擬鋼筋的受力情況;SOLID45 單元模擬鋼梁的受力情況;SOLID65單元用于模擬混凝土模型。另外,對(duì)于組合扁梁,試驗(yàn)表明鋼梁與混凝土之間的滑移可以忽略,所以鋼梁與混凝土之間連接可以采用共用節(jié)點(diǎn)以使其共同協(xié)調(diào)。
混凝土的抗拉強(qiáng)度非常低,在加載初期就要開(kāi)裂,能否正確地模擬混凝土的開(kāi)裂是計(jì)算結(jié)果是否精確的關(guān)鍵。本文采用單元死活來(lái)模擬混凝土的開(kāi)裂,其基本思想:如果混凝土開(kāi)裂,就假設(shè)其對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度和承載力的貢獻(xiàn)可以忽略,在建模計(jì)算時(shí),可以忽略這些單元。結(jié)構(gòu)分析的有限元模型的單元是不確定的,是動(dòng)態(tài)的,受其受力狀態(tài)而改變的。在計(jì)算分析中,根據(jù)ANSYS 計(jì)算出來(lái)的應(yīng)力和應(yīng)變,把滿足開(kāi)裂條件的單元?dú)⑺?讓其退出工作,然后按新的模型重新計(jì)算,如此反復(fù)迭代,直到相鄰兩次迭代結(jié)果相差在可接受的范圍內(nèi)即可停止計(jì)算。分析中,需要注意的是:對(duì)于節(jié)點(diǎn),與其連接的所有活單元被殺死以后,該節(jié)點(diǎn)變成一個(gè)漂移的節(jié)點(diǎn),具有浮動(dòng)的自由度數(shù)值。在一些情況下,需要約束住這些不被激活的自由度以減少要求解方程的數(shù)目,并防止出現(xiàn)位置錯(cuò)誤。但是,在重新激活與其相連的單元時(shí)要根據(jù)情況刪除這些人為施加的約束。另外,在查看結(jié)果時(shí),盡管其對(duì)剛度矩陣的貢獻(xiàn)被忽略了,但由于殺死的單元仍在模型中,其結(jié)果仍包含在單元顯示和結(jié)果輸出列表中,在單元顯示和其它的后處理操作之前,需用選擇功能排除這些沒(méi)有被激活的單元以方便查詢處理。
3 計(jì)算參數(shù)及計(jì)算模型
簡(jiǎn)支、懸臂和兩端固支三種不同邊界條件的組合扁梁跨度分別為4000mm、4000mm 和1500mm,對(duì)其分別建立了ANSYS 有限元模型,并進(jìn)行了計(jì)算分析。在有限元分析中,假定鋼材各向同性,彈性模量取188673.3MPa,泊松比取0.3,質(zhì)量密度取7850kg/m3。在材料非線性分析中,采用目前非線性分析中常用的Von Mises 等向強(qiáng)化準(zhǔn)則,鋼材本構(gòu)關(guān)系取雙直線模型,即初始彈性模量取188673.3MPa,進(jìn)入塑性強(qiáng)化階段切線模量取750MPa,鋼材屈服強(qiáng)度取397.75MPa;鋼筋取理想彈塑性模型,初始彈性模量取2E5,進(jìn)入塑性強(qiáng)化階段切線模量取0;BL1、BL2 和BL3 梁的混凝土的壓潰強(qiáng)度分別為37.7、47.2 和41.3MPa。以上數(shù)據(jù)均與試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試樣的測(cè)得數(shù)據(jù)相吻合。
所有的實(shí)體單元均為8 節(jié)點(diǎn)的長(zhǎng)方塊,主要處于以下兩個(gè)原因:(1)單元的形狀過(guò)于奇異(如存在太大或太小的內(nèi)角等)會(huì)影響計(jì)算結(jié)果的精確度,采用映射網(wǎng)格,各個(gè)單元均為長(zhǎng)方塊可以提高計(jì)算精度,以較少的單元獲得比較滿意的結(jié)果。(2)每個(gè)單元均為長(zhǎng)方塊,便于分層,這樣模擬混凝土開(kāi)裂的效果比較自由網(wǎng)格的三角形單元要好的多,也更接近實(shí)際情況。劃分好以后,采用“Merge”或“Glue”等命令把模型各部分連成空間的一個(gè)整體,保證單元之間的位移協(xié)調(diào)。對(duì)于試驗(yàn)研究的組合扁梁在高度方向共分17 層,上下翼緣各分2 層,長(zhǎng)度方向每100mm 分1 段。截面的單元?jiǎng)澐忠?jiàn)圖3,建好的模型如圖4~圖6。加載采用位移加載方式,即在加載點(diǎn)施加足夠大的位移,直到構(gòu)件完全破壞,其約束條件的設(shè)置和試驗(yàn)完全相同。計(jì)算時(shí),對(duì)所施加的外荷載和特征點(diǎn)撓度進(jìn)行跟蹤。
4 數(shù)值模擬結(jié)果及與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析
組合扁梁的彈性承載力、極限承載力和撓度的試驗(yàn)值,作為組合扁梁在綜合因素作用條件的實(shí)際情況的反映,體現(xiàn)了組合扁梁受力的實(shí)際性能,是最可靠的數(shù)據(jù),本節(jié)以此為依據(jù),將有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。
簡(jiǎn)支梁全跨承受正彎矩,充分的利用了材料的特性。但在加載初期,處于中和軸以下的混凝土要開(kāi)裂,退出工作,在ANSYS 進(jìn)行有限元分析時(shí)是將這些不參與工作的混凝土單元?dú)⑺?最后剩下只有參與工作的混凝土單元,見(jiàn)圖7,其荷載-跨中撓度曲線見(jiàn)圖10。兩端支座固定梁在桿端負(fù)彎矩最大,跨中正彎矩最大,在整個(gè)梁跨度范圍內(nèi)彎矩要發(fā)生變號(hào)。
在加載初期,靠近支座中和軸以上和跨中中和軸以上的混凝土都要開(kāi)裂,退出工作。ANSYS模擬的結(jié)果與實(shí)際情況十分接近,最后剩下只有參與工作的混凝土,見(jiàn)圖8。荷載-跨中撓度曲線見(jiàn)圖11。懸臂梁開(kāi)裂后,剩下參與工作的混凝土見(jiàn)圖9,荷載-端部撓度曲線見(jiàn)圖12。
從以上3 根組合扁梁的荷載-撓度曲線可以清楚的看到:無(wú)論是彈性階段組合扁梁的剛度,還是組合扁梁塑性極限承載力,有限元分析的結(jié)果都足夠精確,與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。這說(shuō)明有限元分析方法是可靠的,可以用來(lái)分析其它類(lèi)似的組合扁梁。
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