新型混凝土夹芯楼板抗剪承载力非线性有限元分析.pdf

第1 期 2 舯6 年1 月 广东土 木与建 筑 GU ANGDONG ARC HI T E CT UR E C I VI L E NGI NE ERI N G N o 1 J A N 2 0 0 6 新型混凝土夹芯楼板抗剪承载力非线性有限元分析 林 浩 华 ( 广州瀚华建筑设计有限公 司 广州 5 1 0 6 3 0 ) 摘 要 ： 本文在 6块 C S楼板抗剪试验结果的基础上 ， 利 用有限元 法重点研 究斜 插丝对其抗剪性能的影响 ， 并对 其受剪机理和抗剪承栽力进行分析 。 计算值与试验值较 为吻合 。 为 C S板式结构提供 了新的研 究方法 。 关键词 ： C S板 ；抗 剪试验 ；有限元；结构分析 C S板是集承重( 围护) 、 保温 、 隔音一体化 的新 型建筑构件 ， 并逐步形成了以环保、 节能和住宅产业 现代化为特色的具有 自主知识产权的“ c s 板建筑体 系” 。 C S 板 由上 、 下层钢丝网片焊成空间网架形成骨 架 ，再压入保温隔热材料一 聚苯乙烯泡沫塑料形成 芯板 最后在芯板上下两面抹一层细石混凝土 ， 从而 得到完整的轻质混凝土夹芯板材( 如图 1 ) 。 细石混 网 1 _ _ J 圈 l 混凝土夹芯板构造示意 图 C S板式住宅结构即是以 C S承重 内、外墙板和 C S楼板 、 屋面板等为主要预制构件 ， 并配 以混凝土 基础 、 构造柱 、 圈梁、 楼梯等现浇混凝土构件形成的 半预制、 半现浇整体板式结构 。它具有 比传统砖混 结构更多的优点 ， 但作为一种新型的建筑结构体系， 其各构件及整体力学性能还有待进一步探索。 C S板 的力学试验主要进行了受弯承载力方 面的研究_ 1 ， 而对于板的抗剪性能则研究较少 。 本文对 6 块 C S 楼 板进行了集中荷载作用下抗剪性能试验研究 ，在此 基础上利用有 限元理论分析 C S板的抗剪传力机理 及其相应的极限承载力。 1 试 验概 况 1 1 试件的设计与制作 本次共进行 了6块板的试验 ， 每块板的混凝土 均 为 C 3 0 ， 尺寸为 2 5 0 0( L ) x 4 0 0 ( D) x l 5 0 ( H) ， 其编 号分别为 C S B 1 C S B 6 。为了研究斜插丝对墙板抗 剪承载力的影 响程度 ， C S B 1 3板和 C S B 4 6板斜 插丝分别为 3和 2 2两种 。钢丝网片是 由直径 2 0 2 mm的冷拔低碳钢丝点焊而成 ， 钢丝沿纵横 向间 距 5 0 m m布置。 为了保证构件只发生剪切破坏 ， 在构 件底部配置了7 6通长纵向钢筋， 如图 1 所示。 1 2 试验和加载 板采用简支形式 ， 试验板平放在两个石墩上 ， 具 有足够 的刚度 ， 板 的支承长度 L = 2 0 0 mm， 基本符合 板的实际支承条件( 如图 2 ) 。 支 座 试 件 荷 载 分 布 粱 铁 块 油 压千斤顶 荷载 传感器 横 粱 支 座 图 2 本次试验采用两点加载 的形式 ， 用 同步液压千 斤顶正向施加荷载 ， 以压力传感器和 Z Y 一 0 1型智能 应变仪控制加载 ， 采用分级加载 ， 每级 2 k N， 开裂后 改为每级 l k N， 每级荷载持续 1 0 mi n 。 I - 3 破坏荷载的判定 破坏极限荷载取决于以下 3 个条件之一： 斜 插丝屈服破坏； 板腹部斜裂缝宽度达到 1 5 m m或 斜裂缝末端受压混凝土剪压破坏； 板的跨中挠度 L n 5 0 。 2有限元分析 C S楼板是 由混凝 土、 钢筋 、 冷拔低碳钢丝等材 料组合而成的复合体 ， 受力特性复杂 ， 难以应用经典 力学方法得到精确的解析解 。又因有限元程序的计 算模型的唯一确定性 ， 故本文采用大型有 限元分析 软件 AN S Y S仅对 C S B 1和 C S B 4两种规格的试验 板进行非线性有限元分析 ， 研究 C S楼板的开裂 、 极 7 维普资讯 http:/ 2 0 0 6 年1 月 第1 期 林 浩华： 新 型混凝 土夹 芯楼板 抗剪承载 力非 线性有限 元分 析 J A N 2 0 0 6 N o 1 限承载力 、 荷载一 挠度曲线和斜插丝的应 、 应 变变 化等。C S 楼板承受荷载计算简图如图 3 所示。 图 3 计算模型简图 2 1 材料本构关 系 ( 1 )混凝土本构关系 混凝土应力一 应变 曲线具有 多种不 同的形式 ， 较常采用的是 由一条二次抛物线及水平线所组成 的 曲线。根据 G B 5 0 0 1 0 2 0 0 2 ( 混凝土结构设计规范 的相关规定， 本文也采用这种形式的曲线 。 ( 2 )钢筋的应力一 应变关系 钢筋应力取钢筋应变 与弹性模量的乘积 ， 但其 绝对值不大于其相应的强度设 值 ， 受拉钢筋的极 限应变取 0 0 1 。 2 2 非线性有限元分析 钢筋混凝土结构非线性有限元分析主 要分材料 非线性和几何非线性 ， 根据实际情况 。 本文采用前 种 ， 计算 中采用增量迭代法 同时应用牛顿一 拉普森 ( N e w t o n R a p h o n ) 方法 、 线性搜索 ( L i n e s e a r c h ) 、 应用 预测( P r e d i c t o r ) 、 自适应下降 ( A d a p t i v e De s c e n t ) 等 技术加速非线性求解方程计算结果的收敛 。 2 3 有 限元模 型 钢筋混凝土有限元模型根据钢筋的处理方式主 要分为 3 种_2 ， 即： 分离式： 考虑钢筋和混凝土之 间的粘结和滑移， 引入粘结单元的模型； 整体式 ： 把钢筋和混凝土包含在同一单元 中， 统一考虑其整 体作用的模型： 组合式： 把钢筋和混凝土包含在同 一 单元 中， 分别考虑钢筋和混凝土对单元刚度矩阵 的贡献的模型 。对于此处混凝土夹芯板的计算 ， 本 文采用分离式模 型， 但假定钢筋和混凝 土之间的粘 结性很理想， 二者之间不产生相对滑移。 A N S Y S单元库中的混凝土单元 S o l i d 6 5单元主 要用于三维模拟有或没有预应力筋 的混凝上单元 ， 该单元可存受拉达到一定强度后发生开裂现象 ， 而 当单元承受的压应力超过其抗压强度时会被压碎。 单元 的抗拉 、 抗压强度值可在单元实体特性 的材料 性能表中定义 ， 本文选用该单元来模拟混凝土夹芯 板的混凝土部分。 AN S Y S单元库 中 L i n k 8单元 可用 于桁架、 斜拉 8 拟索 、 连结及弹簧等 ， 本文应用 L i n k 8单元来模拟钢 筋及钢丝 2 3 。 本文根据试验的实际情况 ， 在利用 A N S Y S软件 的建模过程中， 在左 、 右支座处按实际构件尺寸佗置 分别存板底加 没 2块钢板模拟支座 ， 并在板上而层 切 出两个面 加作用力作为荷载模 拟。为便 于对斜 插丝应 力和应变的变 化情况进行跟踪和记录 ， 本文 按 自然数排列先后建立钢丝网片和斜插丝 单元 ， 令 斜插 丝单元 的编 按 设计的顺序排列 ， 这样 我 们就能得到各 个测 点在受荷过程中清晰 、 有 序 的力学性 能变化 图4 板网格模型 情况。具体 网格模型如图 4所示。 2 4 汁算参数设置 ( 1 )混凝土弹性模量 E= 3 2 1 x l 0 MP a ， 立方体抗 压强度取试块试验值 = 3 2 4 N m m ，峰值应变 = 0 0 0 2 ， 极 限J 变 占 0 0 3 5 ， 抗拉强度 f , - o 3 9 脚 =2 6 7 5 MP a ， 裂缝 的剪力传递系数 = 0 5 ， 闭合裂缝 为 = 1 0 。 ( 2 ) 钢筋弹性模量 E 1 1 0 5 MP a ， 屈服强度 在 木文中 用钢筋强度标准值 y k = 2 3 5 N m m z 代替。 ( 3 )冷拔低碳钢丝弹性模量 E、 屈服强度 钢丝 网片按试验值选取 ，斜插丝取届曲破坏时的应力强 度， 即： 2 0 2 钢丝： E = 1 8 5 x 1 0 M P a k = 7 5 7 2 N m m ； 2 2 钢丝： E= 2 0 0 1 x l 0 M P a = 4 l 1 N m m ； 3 0钢 丝： E 0 0 5 x l O S M P a ,f yk = 6 4 5 N m 11 1 。 2 5 有限无数值模拟与试验结果的比较 本文采用 A N S Y S有限元软件分 析 r不 同斜插 丝直径的两个构件 ， 且分别与 C S B 1和 C S B 4 块试 件的实验结果进行 比较 。 荷载一 位移曲线对比如图 5 ； 试验板弯剪区斜插丝荷载一 应变曲线对比如图 6 ； 构 件破坏时的裂缝对照如图 7所示。 3结果分 析 从 表1吖 见有 限元计算 值 与试验 值 是 较为吻合的。 板 破 坏荷 载 最 大 偏 差 为 4 5 。 通 过 对 板 的 有 表 1 有限元计l l t 值与试验值 比较 类型板 载 板 载 维普资讯 http:/ 2 0 0 6 年1 月 第l 期 广东 土木与 建筑 J A N 2 0 0 6 N o 1 ( a ) C S B 1( b ) C S B 4 图 5 构件荷载一 位 移曲线对 比 0 5 0 0 10 0 0 1 5 0 0 ( a ) C S B 1 ( b) CS B4 图 6 构件斜 插丝荷载一 应变曲线对 比 限元分析数据进行处理 ， 我们还发现靠近支座处 的 受压斜插丝所受的压力最大 与其它弯剪 区受压斜 插丝应 力相差约 1 0 且沿板横向轴受压斜插丝与 受拉斜插丝交错分布 ， 这与我们 的理论分析和实验 现场观察的情形是一致的。在实验过程中， 靠 近支 座处受压斜插丝首先受压屈服 ， 这可能与加载过程 中支座处产生一定应力集 中有关 ， 具体分析如下： 3 1 从图 5可以看 出， 计算曲线与试验曲线拟合较 好 到达开裂荷载后均有明显的转折 ， 而计算曲线要 比试验曲线平滑， 且基本位于试验曲线上方， 造成此 现象的主要原因有 ： ( 1 )试件在浇筑和养护过程 中， 由于人为及外界 等因素造成混凝土刚度和强度产生偏差 ， 在试验过 程中定位的误差和仪表的误差也是造成它们偏离的 原 因之 一 。 ( 2 )有限元位移解的下限性质导致理论值的刚 度偏高 。 ( 3 )有 限元模型忽略了钢筋的滑移和斜插丝的 初始缺陷。 3 2 从斜插丝 的荷载一 应变曲线 比较图可以看 出， 计算曲线发展较光滑平缓， 并未出现明显突变， 究其 原因 是 因为有限元模型几何形状一致 ， 并没有初始 偏差 ， 且忽略了局部斜插丝单元的失稳和屈曲破坏 ， 这是有待进一步修正和改进的地方。 3 3 从 C S B 4的应力、 应变云图( 略) 看来 ， 最大等效 应力和应变主要集中在加荷位置和支座处 ，且在整 块板中对称分布 ， 这与试验现象 和裂缝 出现位置基 本一致 板的破坏特性与一般钢筋混凝土梁剪压破 坏较为相似。 ( a )C S B 1 构什 ( a ) C S B 4构件 图 7 构 件破坏裂缝对 比 3 4 从图 7可以看到 ， 有限元解和试验现象基本一 致 ， 裂缝主要 出现在加载位置 、 支座 、 剪压区及加载 位置下板底处等 ， 与典型的普通混凝 土梁剪压破坏 裂缝较为相似 。 3 5 从计算开裂荷载 、 破坏荷载与试验值的对 比可 以看出 有限元计算值与试验值较为相近， 有限元分 析方法作为结构分析 中的一种有效途径 ， 也适合对 混凝土夹芯板进行承载力分析。但是如何使得有限 元分析方法与实 际情况紧密结合 ， 更真实地模拟出 现实情况 ， 从而获得更精确的结论 ， 还有待进一步的 研究及经验积累。 参考文献 1 林浩华混 凝土夹芯 板( C S板 ) 抗剪 性能的试 验研究及 板式结构体系分析 D 天津大学， 2 0 0 3 ； 2 A N S Y S公 司A N S Y S理 论手册 M 3 江见鲸 ， 钢 筋混凝土结构非线性有限元分析 M 西安 ： 陕西科学技术 出版社 ， 1 9 9 4 9 维普资讯 http:/