再生混凝土柱受压性能的有限元模拟分析.pdf

2 0 1 1年第 1 1 期 1 1月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRETE AND CEMENT P RODUCTS 2 01 1 No11 No v e mb e r 再生混凝土柱受压性能的有限元模拟分析 王乐天 ， 刘 煦 ， 刘 超 ， 郭 帅 。 ( 1 内蒙古伊泰置业有限责任公司， 鄂尔多斯 0 1 7 0 0 0 ； 2西安建筑科技大学土木工程学院 ； 3 鄂尔多斯东胜城市建设开发投资集团有限责任公司) 摘要 ：通过 A NS Y S软件模 拟 了单调加载作用下不 同再 生骨料取代 率再生混凝土柱的受压性能 ，得 出 了荷 载一 侧 向位移 关系曲线和荷载一 混凝土应变关 系曲线， 并与相应的试验结果进行 了比较分析 。 结果表 明： 有限元分析 得到 的破坏形 态、混凝 土应 变及侧 向位移与试验结果十分接近 ，验证 了 A NS Y S分析再 生混凝 土受力性能的有效 性 。 关键词 ： 再 生混凝土 ； 柱 ； 受压性能 ； 有 限元分析 ； 承 载力 Ab s t r a c t ：T h e l o a d s t r a i n c u r v e s o f c o n c r e t e a n d t h e l o a d d i s p l a c e me n t c u e $a r e c a r r i e d o u t b y ANS YS s o f twa r e s i mu l a t i n g t h e l o a d i n g c a p a c i t y o f r e c y c l e d a g g r e g a t e c o n c r e t e c o l u mn s w i t h d i ff e r e n t p e r c e n t a g e r e p l a c e me n t o f r e c y c l e d c o a r s e a g gre g a t e u n d e r mo n o t o n i c l o a d i n g a n d t h e a n a l y s i s r e s u h s a r e c o mp a r e d w i t h t h e e x p e ri me n t a l r e s u l t s e r e s u l t s s h o w t h a t t h e f a i l u r e mo d e ， t h e c o n c r e t e s t r a i n a n d t h e l a t e r a l d i s p l a c e me n t o b t a i n e d b y f i n i t e e l e me n t a n a l y s i s a r e c l o s e t o t h e e x p e rime n t a l r e s u l t s ，w h i c h c a n v e ri f y t h e v a l i d i t y o f ANS YS s o f t w a r e t o a n a l y z e t h e l o a d i n g c a p a c i t y o f r e c y c l e d a g gr e g a t e c o n c r e t e Ke y wo r ：Re c y c l e d a g g r e g a t e c o n c r e t e ；C o l u mn s ；Co mp r e s s i o n p e r f o r ma n c e ；F i n i t e e l e me n t a n a l y s i s ；L o a d i n g c a pa c i t y 中图分类号 ： T U 5 2 5 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 1 ) 1 1 4 4 0 4 0前 言 目前 ， 有限单元法分析在实际应用中 13 益广泛 ， 已成为除试验研究之外 的又一重要研究手段 ， 也在 钢筋混凝土结构中得到了大量的应用。通过采取合 理的计算模型及材料参数 ， 有限元的分析计算结果 与试验结果可以有较高的吻合度。 1 再生混凝土柱建模的材料参数 混凝土模型采用 8节点三维实体单元 S O L I D 6 5 模拟混凝土。再生混凝土的弹性模量 E c取实测值 ， 该值根据取代率的不同而各不相 同， 混凝土开裂后 张开裂缝的剪力传递系数 B t 取 0 5 ，闭合裂缝的剪 力传递系数 p e取 0 9 5 t ” 。 纵筋选用 L I N K 8单元来模 拟 ， 即选用分离式模型 ， 并认 为二者粘结很好 ， 不插 入联结单元 2 。 试验柱均为短柱 ， 柱参数列于表 1 ， 混 表 1 再生混凝土受压柱参数 凝土材料的有关特性参见表 2 。 2网格的划分 将普通混凝 土柱及再生混凝土柱按照“ 从上到 下” 的方法建立有 限元模型。由于混凝 土构件本身 基金项 目： 国家科技部科技 支撑 计划项 目 ( 2 0 0 8 B A K 4 8 B 0 5 ) ； 陕西省 自然科学基础研究计划重点项 目( 2 0 0 9 J Z 0 1 2 ) 。 一 44一 表 2 混凝土材料参数 王乐天， 刘煦 ， 刘超 ， 等 再生混凝土柱受压性能的有限元模拟分析 的非匀质特性及混凝土单元尺寸的限制 ， 本文对全 部模型均未做局部 的网格细化 ， 同时未考虑钢筋与 混凝土之间的粘结滑移。有限元网格划分见图 1 。 3 施 加 边界条 件 本文所有构件约束情况均为底部三 向铰约束 ， 即 X、 Y、 Z三个方 向为铰接 ，加载顶部为 X、 Y向铰 一 一 一 ( b ) 图 1 有限元模型 接 ， Z方向 自由。 加载方式为与试验相同的荷载控制 方式 ， 直到构件的迭代计算不收敛或不需要进行计 算为止。 4 模拟计算结果与试验结果比较 4 1 破坏模型 通过有 限元分析 ， 可得出轴心受压 、 小偏心受 压及 大偏心受压 这三种形式在破 坏状 态下的应力 图 2 柱 Z 一 0 1 0 0的 V o n mi s e s 等效应力 图 ( d ) 云图。图 2 图 4为这三种偏心距的典型破坏模式。 由图 2 一 图 4可见 ， 当构件达到破坏时 ， 材料 的 应力也达到了峰值 ， 说明在 a n s y s的模拟过程 中， 材 料得到了充分的利用 。图 2中出现应力集 中， 柱端 头应力 4 7 5 MP a ； 图 3和图 4中， 柱身大部分应力也 已达到 3 7 4 7 5 MP a 。模拟结果基本符合试验现象。 4 2 混凝 土应 变 图 3柱 Z 一 6 0 1 0 0的 V o n m i s e s 等效应力 图 图 5给出了普通混凝 土和再生骨料取代 率为 5 0 、 1 0 0 轴压柱 的荷载一 混凝土应 变关系曲线 ， 并 将试验值与有限元分析值进行 比较。图 5 ( a ) 中， 由 于在试验过程 中构件 Z 一 0 0为端部受压破坏 ， 承载 力没有完全发挥出来。在 a n s y s 的分析中， 其承载力 达到 3 7 2 9 k N。 在加载初期 ， 曲线呈线性增长 ， 处于线 弹性状态 ， 随着荷载的增加 ， 模型进入弹塑性阶段 ， 到加载后期 ， 当荷载有微小增 量时 ， 混凝土应 变增 长较快 ， 模 型已达到破坏状态 ， 混凝土应变到达极 4 o 0 o 3 O o o Z 鑫2 0 0 0 框 l 0 o 0 O 0 1 o o 0 2 O0 0 3 0 o o 应 变， 8 ( a )Z - 0 0 4 O 0 0 3 0 o o Z 2 0 0 0 挺 l 0 0 o O 图 4柱 Z 一 1 5 0 1 0 0的 V o n ra i s e s 等效应力 图 限应变。在图 5 ( C ) 中， 试验与有限元数据 比较吻合 ， 二者在加载后期有所差别 ， 有限元数据中的极限承 载力 比试验数据小 。将这三幅图中的有限元数据进 行 比较可得 ， 在 同级荷载作用下 ， 普通混凝 土柱 的 应变最小 ， Z 一 0 5 O与 Z 一 0 1 0 0应变相差不多。 图 6给 出了普通混凝土和再生骨料取代率 为 5 0 、 1 0 0 J 偏心受压柱的荷载一 受压侧混凝土应 变关系 曲线 。将图中的有 限元数据进行 比较可知 ， 在 同级荷载作用下， 普通混凝土柱压应变较大。加 4 O o 0 3 0 0 O Z 暴 2 0 0 0 糖 1 O 0 0 O 0 1 O o 0 2 0 o 0 3 0 0 0 4 0 0 0 应变 p , e ( b)Z 一 0 5 0 轴 压柱荷载 混凝 土应 变关 系曲线 O l 0 0 0 2 O o0 3 0 0 0 4 0 0 0 应变 8 ( O ) Z - 0 1 0 0 4 5 5 O 图 O 2 0 1 1 年第 1 1 期 混凝土与水泥制品 总第 1 8 7期 ( a )Z 一 6 0 0 ( b ) Z - 6 0 - 5 0 图 6 小偏压柱荷载一 混凝土应变关系 曲线 载初期 ，取代率为 5 0 的柱 的线性阶段最为明显 。 在加载后期 ，取代率为 1 0 0 的柱混凝土应变塑性 变形发展最为明显。 图 7给 出了普通混凝 土和再 生骨料取代率为 5 0 、 1 0 0 大偏心受压柱 的荷载一 受压侧 昆凝土应 变关系曲线。在图 7 ( a ) 中， 对于普通混凝土大偏压 柱 ， 有限元数据没有表现出明显的弹性 阶段和塑性 阶段 。图 7 ( c ) 中， 对于有限元分析的再生混凝土大 偏压柱 ， 加 载初期表现 出明显的弹性状态 ， 到 了加 载后期 ， 其塑性变形也较大。 4 _ 3 构件位移 Z c 芝 柩 娃 1 0 0 o 8 【 x 】 z 6 o o 霎4 o o 2 o 0 O Z 镛 糖 0o 0 8 0 0 6 0 o 4 0 0 2 0 0 0 4 6 O l 0 0 0 2 0o 0 3 0 o 0 40 0 0 应变 Ix e ( a)Z一1 5 0 0 0 l 0 o 0 2 O o o 3 O 0 0 4 0 0 0 应变， 8 ( b)Z 一1 5 0 -5 0 0 1 oo O 2 0 o 0 3 0 o 0 4 0 O H 0 应变 Ix e ( c ) Z 一 1 5 0 1 0 0 图 7 大偏压柱荷载一 混凝土应变关系曲线 0 1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 应变 ( c)Z 一6 0 1 0 0 图 8给出了普通混凝土和再生 骨料取代率 为 5 0 、 1 0 0 轴心受压柱的荷载一 轴向位移关系曲线 。 将这三幅图中的有限元数据进行 比较可知 ， 普通混 凝土柱轴向位移最大 ， 取代率为 1 0 0 的次之 ， 取代 率为 5 0 的最小 。 而取代率为 5 0 的在加载后期所 表现出的非线性阶段最为明显。 4 0 0 0 7 3 0 0 0 2 0 0 0 握 1 O0 0 O 4 0 0 0 3 0 H0 O 7 秘2 0 0 0 挺 1 0 0 0 O 4 o 0 O z 3 0 0 0 2 0 0 0 挺 1 0 0 o 0 0 1 2 位移 m m ( a ) Z 一 0 0 0 位移 m m ( b ) Z 一 0 5 0 = = ： ： ： ：鲞学 ：譬 ： ： ： ： ； 一 一 一 一1 一 ： _ - 1 二 ： = 根 ： ： 一 。 一 - 位移 ram ( c)Z一 0 1 0 0 图 8 轴压构件 的荷载一 轴向位移关 系曲线 图 9为普通混凝土柱和再生骨料取代率 为 5 0 、 l O 0 d x 偏心受压柱的荷载一 侧 向位移关系曲线 。 综合 3个图看 ， 在有限元分析中， 取代率为5 0 的柱 非线性段最长， 构件的侧 向位移最大 ， 为 3 7 5 ram。 O 0 O O 0 O 0 O 0 0 王乐天 ， 刘煦， 刘超 ， 等 再生混凝土柱受压性能的有限元模拟分析 2 5 o 0 2 O oo 1 5 0 0 囊1 0 0 0 5 0 0 O Z 堰 0 1 2 位移 mm ( a)Z一 6 0 0 位移 mm ( b )Z - 6 0 5 0 25 0 0 r I 一 I r I t 2 o 0 0 至 1 5 0 0 囊1 0 0 0 5 0 0 0 2 1 U 1 2 3 4 5 位移 m m ( c )Z 一 6 0 1 0 0 图 9 荷载一 轴 向位移关系 曲线 图 l 0为普通混凝土柱和再生骨料取代率为 5 0 、 1 0 0 大偏心受压柱的荷载一 侧向位移关系曲线。 将 3图比较可知 ，普通混凝土构件侧 向位移最大。 同级荷载下 ， 取代率为 5 0 的构件侧 向位移最大。 4 4承载力比较 表 3为承载力试验值与分析值 的比较 ， 由表可 见 ，有限元分析得到 的承载力值与试验值较接近 ， 但试件 Z 一 0 0的差距较大 ， 原因是试验过程中加载 时没有铺平加载面 ， 使该试件局部受力过大 ， 产生 了局部破坏 ， 而在有限元分析 中试件是整体破坏。 5结论 ( 1 ) 试验结果与有限元分析结果较 吻合 ， 说 明 用 a n s y s 分析再生混凝土受力性能是可行的。 ( 2 ) 根据 a n s y s模拟的再生混凝土柱和普通混 凝 土柱的对 比， 有 限元分析得 到的破坏形态 、 混凝 土应变及侧向位移与试验结果接近。 ( 3 ) 由有 限元分析结果可 以看出 ， 普通混凝土 柱承载力略大于再生混凝土柱 。从 安全方面考虑 ， 计算再生混凝土柱受压承载力设计值 时， 可按普通 混凝土柱受压承载力计算公式计算 ，为保证安全 ， l 0 o O 8 0 0 至6 0 0 柩4 0 0 挺 2 0 0 0 1 0 0 0 8 0 0 至6 0 0 藿4 0 o 2 0 0 - 2 位移h n m ( a)Z一 1 5 0 0 8 0 0 7 -6 0 0 襄4 o o 2 0 o O 一2 O 2 4 6 位移 r n m ( c ) Z - 1 5 0 1 0 0 图 l 0 荷载一 轴向位移关 系曲线 表 3 柱承载力 的试验值与分析值 取其对应 的普通混凝土柱受压承载力设计值乘 O 9 。 参考文献 ： 1 】 过镇 海 ， 时旭东 钢筋 混凝 土原理和 分析【 M 北 京 ： 清华 大学出版社 ， 2 0 0 3 ： 4 0 1 2 7 2 J 江见鲸 ， 陆新征 ， 叶列 平 混凝土结 构有 限元分 析 MJ 北 京 ： 清华大学 出版社 ， 2 0 0 5 ： 2 2 8 2 5 6 收稿 日期 ： 2 0 1 1 - 0 9 0 2 作者简介 ： 王乐天 ( 1 9 8 4 一 ) ， 男 ， 工学硕士。 通讯地址 ： 鄂尔多斯市东胜 区天骄北路万博广场 6 层 联 系电话 ： 1 8 6 4 7 7 3 5 3 5 4 E - ma i l ： l e t i a n l 0 2 6 1 2 6 e om 4 7