有孔道混凝土局部承压拉压杆模型的受力机理研究_程炳荣.pdf

d o i:1 0.3 9 6 3/j.i s s n.1 6 7 4-6 0 6 6.2 0 2 3.0 1.0 0 4有孔道混凝土局部承压拉压杆模型的受力机理研究程炳荣(武汉轻工大学土木工程与建筑学院,武汉4 3 0 0 2 3)摘 要:目前,钢筋混凝土局部承压承载力的计算以经验公式居多,且多以无孔道的情况为主,这表明有孔道局部承压的受力机理研究尚显不足。由此,文章将以拉压杆模型相关理论体系为指导,通过渐进性结构拓扑优化软件与三维非线性有限元分析,对有孔道局部承压问题进行受力机理(分为传力机理和破坏机理)研究。结果表明:有孔道局部承压符合空间桁架传力机理;其破坏始于局压劈裂区的开裂,终止于承压板下陷的崩溃。关键词:局部承压;受力机理;拉压杆模型;非线性有限元S t u d yo nB e a r i n gM e c h a n i s mo fL o c a lB e a r i n gS t r u t-a n d-T i eM o d e l o fP e r f o r a t e dC o n c r e t eCHENGB i n g-r o n g(S c h o o l o fC i v i lE n g i n e e r i n ga n dA r c h i t e c t u r e,Wu h a nP o l y t e c h n i cU n i v e r s i t y,Wu h a n4 3 0 0 2 3,C h i n a)A b s t r a c t:N o w a d a y s,t h ec a l c u l a t i o no f l o c a lb e a r i n gc a p a c i t yo fr e i n f o r c e dc o n c r e t ew a sm o s t l yb a s e do ne m p i r i c a lf o r m u l a s,a n dm o s to f t h e m w e r e i nt h ec a s eo fn od u c t.T h i s i n d i c a t e dt h a t t h e r ew a sa l a c ko f r e s e a r c ho nt h eb e a r i n gm e c h a n i s mo f l o c a l b e a r i n gw i t hd u c t.T h e r e f o r e,u n d e rt h et h e o r e t i c a ls y s t e mo ft h es t r u t-a n d-t i em o d e l,t h r o u g ht h eE v o l u t i o n a r yS t r u c t u r eO p t i m i z a t i o ns o f t w a r ea n dt h r e e-d i m e n s i o n a ln o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s,t h i sp a p e rw i l ls t u d yt h eb e a r i n gm e c h a n i s m(i n c l u d i n gf o r c et r a n s f e rm e c h a n i s ma n df a i l u r em e c h a n i s m)o f t h el o c a lb e a r i n go f t h ep e r f o r a t e dc o n c r e t e.T h er e s u l t ss h o wt h a t t h ef o r c et r a n s f e rm e c h a n i s mo f l o c a lb e a r i n go fp e r f o r a t e dd u c tw a ss p a c et r u s s.I t s f a i l u r es t a r t s f r o mt h ec r a c k i n go f t h el o c a lb e a r i n gs p l i t t i n gz o n ea n de n d sw i t ht h ec o l l a p s eo f t h ec o n c r e t eu n d e r t h ep l a t e.K e yw o r d s:l o c a l p r e s s u r e;b e a r i n gm e c h a n i s m;s t r u t-a n d-t i em o d e l;n o n l i n e a r f i n i t ee l e m e n t收稿日期:2 0 2 2-1 0-2 1.作者简介:程炳荣(1 9 9 8-),硕士生.E-m a i l:8 6 9 0 7 5 2 8 9q q.c o m局部承压(简称“局压”)作为钢筋混凝土结构中常见的一种受力形式,多见于梁支承在墙或柱顶、桥梁支承在桥墩、后张法预应力混凝土的端部锚固区等部位。其特征为集中力作用的面积小于支承构件的横截面积。这就导致主压应力流在从较小的集中力作用面积向较大的构件横截面积上扩散时,会产生两处主拉应力集中:1)在构件中部,位于垫板下方0.30.5倍的构件宽度处。随着荷载的增加,该位置会逐渐产生裂缝,最终导致构件从中部劈裂破坏,故该部分被称为“劈裂区”;2)在构件的侧表面,该部分的应力集中会导致构件产生沿高度方向的纵向裂缝,由于位于表面且开裂后的混凝土会逐渐剥落,故该部分被称为“剥落区”。劈裂区位于构件内部,它的破坏属构件内伤,而剥落区位于构件表面,它的破坏属构件外伤。所以劈裂区的破坏引起的后果更为严重。当前,局压承载力的计算以经验公式居多1-7,反映出局压问题的受力机理研究尚显不足。拉压杆模型(S t r u t-a n d-T i eM o d e l,简称S TM)力学概念清晰明快,是解决局部应力场问题的较好方法,而局压就恰属该领域问题,这就意味着需要对局压做S TM的受力机理研究。局压分为无孔道与有孔道两种,而后者的研究更显不足。为此,文章将运用S TM的建模思想,以有限元数值模拟为建模手段,研究有孔道局压的受力机理,为后续的承载力计算提供新思路。21建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第1期1 有孔道局压的受力机理受力机理包括传力机理和破坏机理。此节将通过课题组开发的渐进性结构拓扑优化方法(E v o l u t i o n a r yS t r u c t u r eO p t i m i z a t i o n,后称E S O)软件8与非线性有限元软件A b a q u s,揭示局压传力机理。同时借助A b a q u s塑性损伤云图研究破坏机理。1.1 线弹性阶段模型的建立1)模型几何尺寸与材性:见图1,混凝土块体尺寸为10 0 0mm10 0 0mm10 0 0mm,在构件中心有一个直径为3 0 0 mm的 孔 道 贯 穿 其 中;承 压 钢 板 尺 寸 为4 0 0mm4 0 0mm1 0mm(即局压面积比为6.2 5)。混凝土弹性模量为31 06MP a,泊松比为0.2。2)边界条件与加载方式:对块体底面施加六个自由度的全约束,在承压钢板上表面中心点施加1 0k N的集中力。为防止承压板在加载过程中的非均匀沉降,对承压板施加与集中力作用点六个自由度的耦合,从而保证其刚度。1.2 非线性阶段模型的建立局压问题中最重要的即为构件中部的劈裂区,而非位于表面的剥落区。经前期工作,发现当局部承压面积比过小(即承压面面积相对于构件横截面积过大)时,会使得“劈裂区”和“剥落区”两部分混为一谈,难以分辨。所以在非线性的模型建立时,将扩大局压面积比,使得“劈裂区”更加清晰可见,便于研究。1)模型几何尺寸与材性:混凝土块体尺寸为10 0 0mm10 0 0mm20 0 0mm,构件中心有一个直径为4 0mm的孔道贯穿 其中;承压钢 板尺寸为8 0 mm8 0 mm1 0 mm。混 凝 土 立 方 体 抗 压 强 度 取 为4 3.4MP a,弹性模量依据混凝土结构设计规范9(G B 5 0 0 1 02 0 1 0)计算得3 33 3 8.4 5 4MP a,泊松比为0.2,密度为2.21 0-9k g/mm3;承 压 钢 板 弹 性 模 量 为31 06MP a,泊 松 比 为0.2。钢 筋 密 度 为7.8 51 0-9k g/mm3,弹性模量为2.11 05MP a,直径为8mm,配筋形式为6层网状配筋,第一层网片距上表面3 5mm,网片具体尺寸见图2、图3。2)本构关系与单元类型:混凝土采用塑性损伤模型,相关参数通过混凝土结构设计规范(G B 5 0 0 1 02 0 1 0)计算所得,单元类型为C 3 D 8 R(8节点三维实体单元)。承压板采用弹性本构,其单元类型同混凝土。钢筋本构关系采用理想弹塑性模型,不考虑屈服后的强化阶段,单元类型为T 3 D 2(两节点三维桁架单元)。3)接触关系、边界条件与加载方式:为了更好地模拟实际情况,承压板与混凝土之间采用摩擦接触,静摩擦系数根据A C I 3 1 82 0 1 91 0取0.8。由于目前的粘结滑移本构关系尚未研究成熟,结果可用性较差,故不考虑钢筋与混凝土间的粘结滑移,而将钢筋与混凝土间作无滑移的刚性连接处理。对混凝土构件底部施加六个自由度的全约束。为防止承压板在加载过程中的不均匀沉降,对承压板施加与集中力作用点六个自由31建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第1期度的耦合。在承压板中心点施加大小为3.61 03k N的集中力。1.3 有孔道局压的传力机理局压的传力机理研究具体来说,就是构建拉压杆模型的轴线尺寸。初步研究表明:局压破坏始自拉杆的破坏,后经塑性应力重分布,终止于压杆的破坏。拉杆既是最先破坏,说明它的轴线尺寸可由基于线弹性应力流的E S O法来反映,而压杆轴线尺寸已将受局压塑性发展的影响,则不能再用E S O法构建。该研究采用的是以非线性有限元揭示的主压应力流来构建其轴线尺寸。1.3.1 拉杆轴线尺寸的确定由前述,以E S O法构建拉杆轴线尺寸,其中:删除标准为主拉应力,单元删除率为4%。在优化过程中,程序将逐渐删除主拉应力数值较小的单元,从而逐渐暴露出拉杆轴线尺寸。经试算(见图4),模型中部最大主拉应力位置在距上表面3 4 5mm处(处于孔道周围)。从该位置分别向上扩大4 0mm、向下扩大3 0mm,从而形成尺寸为10 0 0mm10 0 0mm7 0mm的目标优化区域。优化前期:如图5(a)、图5(b)所示,位于目标优化区域四角处的单元首先被删除,中间部分的单元被保留。说明相较于四角处的单元,中间部分的主拉应力值要更大。优化中期:如图5(c)图5(e)所示,位于目标优化区域四角处的单元继续被删除,孔道四周的单元也开始逐渐被删除,目标优化区域已变为中间带孔的平板结构 这就是文献中所论较多的“劈裂区”。由此,也就解释了传统意义上的局压配筋多以钢筋网片出现的原因 因为只有呈面结构的钢筋网片才能与同为面41建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第1期结构的劈裂区相匹配。但这并非是问题的本质。优化结束:如图5(f)图5(h)所示,孔道四周的单元被大量删除,目标优化区域最终变为围绕着孔道的四根拉杆 前述劈裂区的面结构,已变为杆系结构。如图5(i)、图5(j)所示,在模型侧表面部分,主拉应力及主压应力在此集中,证明该位置为拉压杆模型的节点区域(下节点)。在节点与节点间的连线部分,主拉应力主要集中于此,即该部分的钢筋网片或螺旋箍筋共同构成拉杆。由此表明,局压的配筋除了以往的均匀分布筋之外,尚应在此拉杆区域集中配筋。1.3.2 压杆轴线尺寸及类型的确定如图6所示,主压应力流历经:承压板下的集中扩散再度集中于前述的下节点,为瓶状形态。其中压杆的上节点即为前述承压板下主压应力流集中处,而其下节点就是前述的下节点。1.3.3 有孔道局压的拉压杆模型轴线尺寸如图7所示,至此可得,有孔道局压符合空间桁架的传力机理:四根由混凝土构成的瓶状斜压杆传递主压应力流,四根由钢筋构成的拉杆传递主拉应力流,压拉杆相交区域为节点区域,该体系构成了内部的传力路径,满足静力平衡条件与屈服条件。1.4 有孔道局压的破坏机理局压破坏分为以下三个阶段:1)劈裂区产生及发展阶段施荷至1 0%极限荷载时,如图8(a)所示,位于承压板下方约0.3倍构件宽度处,出现受拉损伤,此与前述E S O显示的压杆劈裂区位置相吻合。而由图8(b),受压损伤则在承压板下方约0.3倍构件宽度范围内,以椭球体形态出现。这一切表明:局压劈裂区已经形成。至极限荷载约5 0%时,如图8(c)所示,受拉损伤以孔道为中心,向纵深与周围持续扩散,其中前者扩散强度高于后者,表明局压劈裂区在进一步发展中。如图8(d)所示,受压损伤则主要以立剖面为三角形的楔形体出现在承压板下面。2)压杆劈裂区的产生及发展阶段施荷至8 0%极限荷载时,如图8(e)所示,伴随以局压劈裂区的持续扩大,压杆中部出现了无头无尾的劈裂区 此为瓶状压杆的典型开裂形态,同时最严重的受拉损伤出现在承压板两端。如图8(f)所示,承压板下的楔形体破坏渐趋明显。3)破坏阶段施荷至极限荷载时,如图8(g)所示,在局压劈裂区严重扩散的同时,压杆劈裂区向着压杆两端持续发展,其上端已至承压板下。如图8(h)所示,此时,承压板下的楔形体破坏已至顶峰。至此,压杆两端已被剪压破坏,导致承压板下陷,局压破坏完成。51建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第1期2 结 论a.有孔道局压传力机理为空间桁架。该桁架由四根混凝土瓶状斜压杆与四根钢筋拉杆,凭借拉压杆相交区域的节点连接而成。b.有孔道局压的破坏始自劈裂区的开裂,发展至瓶状压杆的中部劈裂,再至压杆两端的剪压破坏,终止于承压板下陷的崩溃。c.在劈裂区整体布置以钢筋网片或螺旋筋的基础上,尚应对拉杆区域集中配筋。参考文献1 赵建立.预应力混凝土锚固区设计的拉压杆模型理论及其应用研究D.上海:上海交通大学,2 0 1 0.2 贺志启.混凝土桥梁D区的力流传递机制及参数化设计理论D.南京:东南大学桥梁与隧道工程,2 0 1 3.(下转第4 4页)61建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第1期表1 改造前后立磨外循环运行情况对比项目含铁率/%外循环电流/A主电机电流/A立磨振动/(mms-1)改造前1 01 58 51 9 023改造后9 56 51 7 50.514 结 语论文分析了传统矿渣微粉立磨外排量大的原因,在实施改造后可大大提高外排物含铁成分,并可将全部磁选后物料返回磨机,避免了磁性物质的流失,杜绝了浪费,减少了污染,实现零排放,同时提高了高炉矿渣的附加值。通过对矿渣微粉外循环系统的改造,降低了外排量,大大提高了外排物含铁率,减少了堵塞的危险,提高了设备的正常运转率,降低了员工劳动强度,起到了很好的经济效益和社会效益。参考文献1 王国庆.立磨矿渣粉磨工艺及装备先进技术J.中国水泥,2 0 1 7(3):1 0 0-1 0 6.2 张昆谋,郑国良,彭新桥.浅谈立磨磨辊及磨盘表面耐磨堆焊技术J.新世纪水泥导报,2 0 0 5(6):4 7-4 8.3 曹黎颖,程寅夏.立磨矿粉生产过程中的质量控制与管理J.粉煤灰,2 0 1 2,2 4(3):1 7-1 9.4 倪 凯.水渣变化对UM 4 3.6 R立磨工况影响及应对J.水泥工程,2 0 2 1(6):5 0-5 3.5 刘德毅.浅议永磁筒式除铁器的研制和应用J.煤质技术,2 0 0 4(z 1):6 6-6 8.6 许 辉.火电厂输煤程控系统改造实施方法J.中国科技信息,2 0 1 8(8):3 1-3 2.7 秦泽叶,张德鑫,李保明.一种水渣预脱水工艺与立磨高效生产的优化方法J.山西冶金,2 0 1 7,4 0(3):1 1 4-1 1 5.(上接第1 6页)3 Z h o uLY,L i uZ,H eZQ.F u r t h e r I n v e s t i g a t i o no fT r a n s v e r s eS t r e s s e sa n dB u r s t i n gF o r c e s i nP o s t-t e n s i o n e dA n c h o r a g eZ o n e sJ.S t r u c t u r a lC o n c r e t e,2 0 1 5,1 6(1):8 4-9 2.4 Z h o uLY,L i uZ,H eZQ.E l a s t i c-t o-p l a s t i cS t r u t-a n d-T i eM o d e l f o rC o n c e n t r i cA n c h o r a g eZ o n e sJ.J o u r n a l o fB r i d g eE n-g i n e e r i n g,2 0 1 7,2 2(1 0):1-1 65 盖立琦,郑文忠,李 胜,等.混凝土局压承载力计算方法深化研究J.哈尔滨工业大学学报,2 0 2 1,5 3(1 0):1-1 1.6 关兆丰.轻骨料混凝土局部受压相关问题试验研究D.长春:吉林大学,2 0 1 2.7 志敏.HR B 5 0 0钢筋轻骨料混凝土构件局部受压性能研究D.苏州:苏州科技大学,2 0 1 7.8 鄂学海.钢筋混凝土结构典型D区的渐进性结构拓扑优化方法研究D.武汉:武汉轻工大学,2 0 1 8.9 G B 5 0 0 0 1 02 0 1 0中华人民共和国国家标准混凝土结构设计规范S.北京:中国建筑工业出版社,2 0 1 0.1 0A C IC o mm i t t e3 1 8,B u i l d i n gC o d eR e q u i r e m e n t s f o rS t r u c t u r a lC o n c r e t e(A C I 3 1 8-1 9)S.44建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第1期