柱托换新旧混凝土接触问题数值模拟分析.pdf

王芝 云等 ： 柱托换新旧混凝士接触问题数值模 拟分 析 51 柱托换新 旧混凝土接触 问题数值模拟分析 王芝云， 吴二军 ( 河海大学土木 与交通学院 ， 江苏南京2 1 0 0 9 8) 【 摘要】 运用有限元软件 A N S Y S 建立了柱托换节点的非线性有限元模型， 通过合理选用混凝土 、 接触单 元及其参数， 结合试验数据验证了有限元模型的精度及可靠性 ， 进而研究了新混凝土弹性模量和界面倾斜角度对 柱托换节点受力性能的影响。研究结果表明： 通过控制变量法和数值递推法 ， 可以得到合理的法向接触剐度因子 取值 ； 在恒荷载作用下， 弹性模量比值在 1 2时新旧混凝土界面的剪应力增长显著， 而比值越大， 剪应力越大， 所 以在新旧混凝土粘结时， 新混凝土必须用与 旧混凝土同强度等级或更高强度等级的混凝土， 这与规范要求相吻 合 ； 在恒荷载作用下， 当界面倾角从5 。 到7 。 时， 界面剪应力下降比较显著， 而且界面粘结滑移距离下降趋于平缓 ， 界面倾角取5 。 时可以较好地提高柱托换节点的抗剪能力。 【 关键词】 柱托换 ； 有限元模型； 接触刚度因子； 滑移距离； 界面倾角 【 中图分类号】 T U 7 4 6 4 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 4 ) 1 1 0 0 5 1 0 4 0引言 柱的托换技术是工程结构加固改造的基本技术 之一， 被广泛应用于建筑物的抽柱大空间改造、 建筑 物和桥梁的整体平移、 顶升、 纠偏、 地下空间开发、 地 铁隧道施 工等工程 领域。这些工 程 中， 混 凝 土结构 的 改造最为普遍。推动了混凝土柱的托换技术的快速 发展。近 2 0 年中， 在托换形式、 托换节点破坏形态和 传力机理、 承载力影响因素、 新1 日混凝土界面粘结强 度等方面， 取得了许多科研成果 ， 但至今该领域的 理论研究仍远远落后于工程实践。 部分学者对柱托换节点性能进行 了有限元模拟 分析。文献 3 、 4 通过有限元数值分析模拟植筋钢 筋， 研究了不同植筋率以及植筋位置对新旧混凝土界 面抗剪承 载力 的提高 程度 。刘 群 星 分 别 对碳 纤 维 布节点加固、 粘钢节点加固进行了有限元计算分析， 发现两种加 固方法 对 节点 极 限承 载力有 不 同程 度 的 改善。文献 6 应用有限元软件 A N S Y S ， 建立 了无锚 杆和有锚杆加固圆柱两种模型。结果表明， 无锚杆的 加固方法不能完全保证新旧混凝土的共同工作性能 ， 而机械连接能够有效地增强新加固材料和旧材料的 共同工作性能。但 目前 涉及新 旧混凝土界面的接触 参数合理取值， 材料特性和截面特征对受力性能影响 规律的数值模拟分析的文献较少。 本文应用有限元软件 A N S Y S 建立了柱托换节点 的非线性有限元模 型， 采用控制变量法和数值递推 法， 得到了法向接触刚度因子这一关键参数， 结合文 献试验数据 验证 了有限元模型的精度及可靠 性。 进而研究 了新 混 凝 土弹 性模 量和 界面倾 斜 角度 对柱 模拟非固结墩对梁体的约束作用。 参 考文献 1 邵 容光， 夏淦 混凝土弯桥梁 M 北京： 人 民交通 出版 社 1 9 9 4 2 王新定， 丁汉山， 吉林 ， 等 混凝士连续弯梁桥侧向移位分析及 列 策研究 j 公路交通科技， 2 0 0 6 ， 2 3 ( 1 1 ) ： 6 4 6 7 3 周亮 曲线梁桥梁体偏位分析与处治方法研究 D 重庆： 重 庆交通大学 ， 2 0 1 1 4 刘超， 袁向荣 某匝道独柱曲线梁桥病害成因分析与对策 J 长春工程学 院学报 ， 2 0 1 0， 1 1 ( 4) ： 2 42 6 5 刘卡 = 国 曲线 梁桥平面位移机理分析 J 交通科技， 2 0 0 7 ( 3 ) ： 2 0 2 2 6 豆文彬 曲线连续梁桥横向偏位病害处治方法研究【 D 重 庆 ： 重庆交通大学 2 0 1 2 7 刘洪 连续梁独柱支墩曲线桥上部结构顶推复位加固 J 公 路与汽车， 2 0 1 0 ， ( 6 ) ： 1 4 11 4 4 8 陈密 ， 申桂柳 郑 凯 多联混凝 土连续 弯箱梁桥顶推 复位技术 的探讨 J 铁道建筑， 2 0 0 9 ， ( 3 ) ： 1 0 4 1 0 6 9 张杰， 秦海强， 柴海东 无锡钢桥整体拖拉实施方案简介 J 安装 ， 2 0 0 5 ， ( 1 2) ： 2 93 3 1 O 袁新 华 ， 陈绪 刚 摩擦 阻荷原 理在 桥梁 平移 工 程 中的应 用 J 结构工程师 ， 2 0 1 1 ， 2 7( 1 ) ： 1 4 91 5 3 1 1 梁志成 某立交连续箱梁匝道桥变位修复的顶梁施工E J 公 路 ， 2 o 0 3， ( 7 ) ： 1 2 61 3 1 1 2 G B 5 0 0 1 0 2 0 1 0 ， 混凝土结构设计规范 s 收稿 日 期】 2 0 1 4 0 6 3 0 作者简介 郭现收( 1 9 8 8一 ) ， 男 U 东聊城人， 硕士研究生， 研究方向： 建筑物的加固与改造。 低温建筑技术 2 0 1 4 年第 1 1 期( 总第 1 9 7 期) 旧 柱 凿毛后接l 托换梁 7 托换梁 。 。 图6 有界面倾斜角的柱托换节点剖面图 毫 l O 8 6 4 2 0 2 _ 4 -8 -1 0 + 倾角 1 o 倾角2 。 +倾角3 o 一 倾角4 。 4 -倾角5 。 + 倾角6 。 + 倾角7 。 图7 沿试件高度牯结面剪应力随界面倾角变化 混凝土的强度也不一样， 在接触面处必然造成剪应力 分布的不均匀性。随着界面倾角的增大， 粘结面的剪 应力逐渐减小。当界面倾角从 1 。 一 5 。 时 ， 剪应力变化 比较缓慢 ； 界面倾角从 5 。 一7 。 时， 剪应力变化比较显 著。界面的剪应力沿试件高度是减小的， 说明托换梁 底部给柱的压应力大于托换梁上部给柱的压应力， 托 换梁底部 对 柱 的约束 作 用更 大 。由于界 面倾 角 的存 在 ， 柱托换节点 承载 力 由界面的单独 抗剪 变为界 面抗 剪和托换梁拉、 压共同作用 ， 同时前文 已经得出托换 梁的混凝 土的抗拉 、 压 强度是大 于新 旧混凝土界 面 的 粘结强度， 所以界面的倾角可以提高柱托换节点的抗 剪能力。 0 8 O 6 吕 蟹0 4 0 2 0 界面倾斜角度 ) 1 9 图8 界面牯结滑移距离随不同倾角变化 从图 8可以看出， 随着界面倾角的增加， 接触面的 粘结滑移距离是减小的， 托换梁对柱起到了销栓的作 用。当界面倾角从 1 。 5 。 时， 粘结滑移距离下降比较 显著； 当界面倾角从 5 。 7 。 时， 粘结滑移距离下降趋 于平缓。柱托换节点抗剪承载力随界面倾角增加而 得 到相应地提高 。 3结语 ( 1 ) 有 限元接 触分 析时 ， 法 向接 触 刚度 因子取 值比较困难。通过控制变量法和数值递推法 ， 可 以得 到合理的法向接触刚度因子取值。 ( 2 ) 依据规范的要求， 给出了有 限元分析时所 需要输入的混凝土初始弹性模量一般表达式。 ( 3 ) 在恒荷载作用下 ， 弹性模 量 比值在 1 2时 新旧混凝土界面的剪应力增长显著， 而比值越大， 剪 应力 越大 ， 所 以在 新 旧混凝 土粘 结时 ， 新混凝 土必 须 用与旧混凝土同强度等级或更高强度等级的混凝土， 这与规范要求相吻合。 ( 4 ) 通过数值计算， 模拟界面倾角对柱托换节 点受力的影响。当界面倾角从 5 。 到7 。 时， 界面剪应力 下降 比较显著， 此时粘结滑移距离下降也趋于平缓。 界面倾角取 5 。 时可以较好地提高柱托换节点的抗剪 能 力。 参考 文献 1 李爱群 ， 吴二军 ， 等 建 筑物整体迁 移技术 M 北京 ： 中国建 筑工业 出版社 ， 2 0 0 6 ： 1 2 2 张鑫 ， 蓝戊 己， 等建筑物移 位工程设计 与施 工 M j E 京 ： 中 国建筑 工业 出版社 ， 2 0 1 2 ： 1 3 邢强 新旧混凝土界面的连接方法及受力性能研究 D 西 安 ： 西安科技大学 ， 2 0 1 2： 5 4 张芬芬 新旧混凝 土界面在低 周反复荷 载作用下 受剪性能研 究 D 南京 ： 河 海大学 2 0 1 4 ： 5 5 刘群星 续建工程新旧混凝土框架节点加固方法有限元分析 研究 D 上海： 同济大学， 2 0 0 6 ： 3 6 郭容宽 加固圆柱新旧混凝土共同工作的数值模拟分析研究 D 南宁 ： 广西大学 ， 2 0 0 9： 6 7 陈竹 钢筋混凝土柱斜向预应力托换节点力学性能研究 D 南京： 河海大学， 2 0 1 3 ： 5 8 邵永健， 等 混凝土结构设计原理 M 北京： 北京大学出版 社 2 0 1 0： 2 9 闷志刚， 等 钢管活性粉末混凝土柱界面黏结性能研究 J 土 木工程学报 ， 2 0 1 0， ( 8 ) 1 0 C E C S 2 5 ： 9 0 ， 混凝土结构加固技术规范 S 收稿 日期 2 0 1 40 7一 O 1 作者简介 】 王芝云( 1 9 8 9一) ， 男 ， 南京人 ， 硕士研究生 ， 研 究 方向 ： 工程结构加 固 、 平移、 改造技术 。 r _ _ J 面1