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鋼筋混凝土T型節(jié)點(diǎn)位移極限仿真研究

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鋼筋混凝土T型節(jié)點(diǎn)位移極限仿真研究

摘要:在各種載荷工況下,對(duì)鋼筋混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行受力分析比較困難。為此,對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)的靜力學(xué)特性進(jìn)行了仿真分析。采用有限元對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)的整體進(jìn)行了靜力學(xué)分析和簡(jiǎn)化;利用ANSYS分析軟件,依據(jù)有限元理論對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行了合理的力學(xué)簡(jiǎn)化;通過(guò)建模、材料屬性、約束、加載等程序,利用APDL語(yǔ)言編程,對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了載荷受力仿真分析,分析了整體結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力分布,并對(duì)其仿真模擬值進(jìn)行了驗(yàn)證。研究結(jié)果表明:變形與應(yīng)力仿真模擬值與ANSYSInc.模擬值和實(shí)測(cè)值三者的吻合度非常高,表明此種模擬計(jì)算方法契合實(shí)際鋼筋混凝土節(jié)點(diǎn),可靠性較高;該結(jié)果可以為此類構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞:鋼筋混凝土節(jié)點(diǎn);ANSYS;有限元分析;極限位移實(shí)驗(yàn)

0引言

與傳統(tǒng)的現(xiàn)澆建造方式相比,裝配式結(jié)構(gòu)具有施工質(zhì)量好、全壽命消耗低等優(yōu)勢(shì),被國(guó)際社會(huì)視為可持續(xù)發(fā)展的結(jié)構(gòu)[1]。然而,傳統(tǒng)裝配式建筑的整體性和抗震性能較差,節(jié)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)破壞的核心部位,承受梁和柱傳來(lái)的力,對(duì)建筑的整體結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性具有極其重要的作用[2]。目前對(duì)節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)性能仍有許多尚不明確的位置,由于實(shí)際實(shí)驗(yàn)需要花費(fèi)大量的人力物力,本文通過(guò)ANSYS有限元模擬節(jié)點(diǎn)的位移狀況,以期對(duì)節(jié)點(diǎn)的研究提供一種可借鑒參考的模擬方法[3-5]。本文針對(duì)T型梁柱節(jié)點(diǎn)連接在實(shí)驗(yàn)中的位移變形過(guò)程,利用ANSYS軟件,在SC平臺(tái)建立幾何模型并利用APDL輸入模型的材料參數(shù),求出在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的最大應(yīng)力和最大位移,同時(shí)校核整體結(jié)構(gòu),對(duì)鋼筋混凝土T型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行仿真模擬研究[6]。

1實(shí)驗(yàn)過(guò)程

在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中,梁的上下面分別布設(shè)位移計(jì);同時(shí)在鋼筋上設(shè)置位移計(jì)和應(yīng)變片。通過(guò)計(jì)算機(jī)采集應(yīng)變片上的數(shù)據(jù)(如圖1),模型的詳細(xì)布置如圖2所示。具體量測(cè)內(nèi)容和方法如下:1)由于軸向壓縮載荷的應(yīng)用,在節(jié)點(diǎn)區(qū)域產(chǎn)生的主拉應(yīng)力減小了,所以柱所受的軸向載荷對(duì)節(jié)點(diǎn)抗剪能力是有利的。梁右側(cè)的自由端通過(guò)液壓千斤頂加載來(lái)施加豎向位移;液壓加載系統(tǒng)可以測(cè)得千斤頂?shù)募虞d值,位移計(jì)可以測(cè)量梁自由端的位移。2)柱頂軸力通過(guò)液壓千斤頂施加,施加的荷載通過(guò)其上的應(yīng)變片全過(guò)程監(jiān)測(cè)。開(kāi)始對(duì)柱頂施加軸力到9480N時(shí),保持荷載恒定。然后在右側(cè)梁端施加沿Y負(fù)方向的位移,當(dāng)加載至梁端位移為-8.0mm左右時(shí),開(kāi)始出現(xiàn)明顯下彎段,試件達(dá)到屈服,記錄此時(shí)梁端荷載和屈服位移Δy;繼續(xù)施加位移,梁的左右側(cè)面及底面逐漸出現(xiàn)因混凝土破壞而露出的箍筋和下部的縱筋。出現(xiàn)這種情況就可以大致說(shuō)明梁已經(jīng)喪失了其相應(yīng)的承載力[7]。

2材料選擇及其屬性

材料選擇非線性材料中的鋼筋及普通材料中的混凝土;鋼筋的彈性模量為190GPa,屈服強(qiáng)度為470MPa,切線模量為1000MPa。混凝土的各參數(shù)如表1所示,并以APDL語(yǔ)言輸入。

2.1網(wǎng)格劃分

將Programorder中的programcontrol設(shè)置為lenear,將尺寸大小Size設(shè)置為25mm,在Mesh中插入一個(gè)method,并將方法選擇為multizone,再在Mesh中插入一個(gè)Size,選中所有的199條邊,將尺寸同樣設(shè)置為25mm,生成10174個(gè)節(jié)點(diǎn)和6824個(gè)單元。這時(shí)網(wǎng)格的平均質(zhì)量為1,滿足網(wǎng)格劃分的精度要求,如圖4所示。

2.2模型簡(jiǎn)化及約束條件設(shè)置

由于模型是對(duì)稱結(jié)構(gòu),故在模擬時(shí)沿圖中所示平面取一半的結(jié)構(gòu)分析即可,如圖5所示。模擬的總時(shí)間為2s,在柱的上端和下端分別施加約束,使構(gòu)件在X方向上的位移為0,0~1s在柱子的上端沿Y方向逐漸施加由0N至-9480N的荷載,1~2s內(nèi)使豎向荷載維持恒定。在柱的下端施加約束,在模擬時(shí)間段內(nèi)使構(gòu)件在Y方向上的位移為0。在1~2s時(shí)間段內(nèi),在梁端施加由0至-80mm的豎向位移。在該模擬中時(shí)間也可以等同視為步驟,對(duì)模擬結(jié)果并沒(méi)有影響。

2.3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

1)模型的總變形的云圖如圖6所示,其中梁端在1~2s時(shí)間段內(nèi)發(fā)生最大的位移為89.112mm,柱的下端為最小位移0.296mm,柱的中部產(chǎn)生了5mm左右的位移。2)模型的鋼筋等效塑性應(yīng)變?cè)茍D如圖7所示。屈服準(zhǔn)則選用VonMises屈服準(zhǔn)則,梁的上部鋼筋在1.1s左右時(shí)發(fā)生了屈服,在1.5s時(shí)塑性應(yīng)變達(dá)到0.045,而后等效的塑性應(yīng)變不再增長(zhǎng),表明構(gòu)件發(fā)生了破壞。3)模型的鋼筋等效應(yīng)力云圖如圖8所示。在1.1s時(shí)應(yīng)力急劇上升到500MPa,表明鋼筋開(kāi)始屈服,隨后又平穩(wěn)上升到約600MPa,此階段為強(qiáng)化階段,在1.5s后,應(yīng)力呈現(xiàn)下降,表明構(gòu)件已經(jīng)喪失了承載力。4)選擇analysissetting后插入probe,在該模塊中選擇Forcereaction,并選擇對(duì)象為梁端的下邊緣線。模型在梁端的位移和受力關(guān)系圖是通過(guò)選中Forcereaction和Directionaldeformation后插入Chart生成,由于研究對(duì)象選取的是對(duì)稱結(jié)構(gòu),且考慮到坐標(biāo)軸的方向,則需要對(duì)結(jié)果乘以系數(shù)-2加以修正,結(jié)果如圖9所示。

3對(duì)比結(jié)果

從對(duì)比結(jié)果(如圖10)可以看出,本文仿真模擬值與ANSYSInc[9]的模擬值和與相關(guān)實(shí)驗(yàn)的實(shí)測(cè)值偏差僅為6%左右。模擬與實(shí)測(cè)值的偏差并不大,說(shuō)明該建模的幾何模型、約束的簡(jiǎn)化及加載過(guò)程都符合鋼筋混凝土T型節(jié)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)的實(shí)際情況。同時(shí)也可以確定本文的模擬仿真方法精確度比較高,但在彈性階段實(shí)測(cè)值小于模擬值,存在的原因主要是以下兩個(gè)方面:1)在Workbench仿真平臺(tái)中的模擬所采用的鋼筋和混凝土都是理論的截面大小,實(shí)際模型中的材料尺寸和相關(guān)參數(shù)都存在著一定的偏差[8];2)鋼筋混凝土T型節(jié)點(diǎn)接頭處存在焊接連接,Workbench仿真平臺(tái)中的連接大都采用固定連接,不同的連接方式會(huì)導(dǎo)致仿真模擬值與實(shí)驗(yàn)的實(shí)測(cè)值中的結(jié)果差異。而有限元模擬結(jié)果中,當(dāng)擴(kuò)張寬度為300~390μm時(shí),縫合線拉力范圍為43.5~57.3mN,分布于實(shí)驗(yàn)結(jié)果范圍內(nèi)。因此通過(guò)參考擴(kuò)張寬度結(jié)合拉力-擴(kuò)張寬度關(guān)系可以給出縫合線拉力的對(duì)應(yīng)范圍,獲取量化的拉力值。

4結(jié)論

本文針對(duì)當(dāng)前無(wú)法直接測(cè)量縫合線拉力的問(wèn)題,應(yīng)用有限元法模擬了CP中縫合線擴(kuò)張SC和TM的過(guò)程,求解了縫合線拉力與組織擴(kuò)張寬度的量化關(guān)系。建立了實(shí)時(shí)縫合線拉力測(cè)量平臺(tái),在豬眼組織中完成了縫合線擴(kuò)張操作,測(cè)量縫合線上實(shí)時(shí)張緊力與組織擴(kuò)張的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),獲得拉力-擴(kuò)張寬度曲線,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果呈現(xiàn)相同趨勢(shì)。該量化關(guān)系,可預(yù)測(cè)相應(yīng)拉力下組織擴(kuò)張情況,縮短醫(yī)生學(xué)習(xí)曲線,提高手術(shù)精準(zhǔn)性。

作者:胡金輝 孫穎娜 張麗娜 申智鵬 李贊 王寧 龐傲璇 單位:黑龍江大學(xué)