有限元模拟FRP筋混凝土双向板的冲切过程.pdf

第 3 1 卷 第5期 2 0 1 4年 5月 长 江科 学 院 院报 J o u r n a l o f Y a n g t z e R i v e r S c i e n t i fi c Re s e a r c h I n s t i t u t e V0 I 31 No 5 Ma y 2 0 1 4 D OI ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 5 4 8 5 2 0 1 4 0 5 0 1 8 有限元模拟 F R P筋混凝土双向板的冲切过程 侯黎黎 。 ， 张亚坤 ( 1 黄河水利职业技术学院， 河南 开封4 7 5 0 0 4； 2 小流域水利河南省高校工程技术研究中心 ， 河南 开封4 7 5 0 0 4 ) 摘要： 为了探索运用有限 分析法研究集中荷载作用下纤维增强塑料( F i b e r R e i n f o r c e d P o l y m e r ， F R P ) 筋混凝土 双向板的冲切受力性能的可行性， 运用 A N S Y S软件建立了F R P筋混凝土双向板的有限元模型， 并模拟了F R P筋混 凝土双向板在集中荷载作刚下从加载开始到发生冲切破坏的整个受力过程， 得到了 F R P筋混凝土板 A N S Y S分析 的荷载 一挠度( P 一 叫 ) 曲线， 并将其与偏置集中荷载作用下 F R P筋混凝土双向板的冲切试验研究所得 P 一 曲线进行 对比分析。对比成果表明： A N S Y S分析 P 曲线与试验 P W曲线吻合较好 ， 在研究 F R P筋混凝土双向板的冲切破 坏机理时， 运用 A N S Y S软件模拟分析替代部分冲切试验研究是行之有效的新途径。对 F R P筋混凝土双向板冲切 受力过程的P W曲线进行分析 ， 得知集中荷载作用下 F R P筋t 昆 凝土双向板的破坏是发生在板局部的脆性破坏， 混 凝土强度、 筋材、 配筋率 、 荷载位置等因素是影响P 一 曲线形状、 最高点、 曲线斜率的主要因素。 关键词 ： 纤维增强塑料； 混凝土板； 冲切 ； A N S Y S ； 有限元 中图分类号 ： T U 3 7； T U 5 7 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 1 5 4 8 5 ( 2 0 1 4 ) 0 5 0 0 8 7 0 5 1 研 究背景 研究集 中荷载作用下复合材料筋混凝土双向板 的冲切破坏具有重要的理论价值和实际意义 ， 然而 ， 国内外对这方面的研究却较少 ， 尤其是纤维增强塑 料 ( F i b e r R e i n f o r c e d P o l y me r ， F R P ) 筋混凝土双向板 在集中荷载作用下冲切受力性能 的有限元模拟鲜有 报道。对混凝土双 向板 的研究常常采用混凝土板的 试验方法。试验研究成本 较高， 研究周期较长。随 着 电子计算机硬件和软件技术的不断发展 ， 借助有 限元代替冲切试验研究将成为研究集 中荷载下混凝 土双向板冲切性能的一个研究方 向。混凝土板的荷 载 一挠度曲线( P W曲线) 能够综合反映构件的承载 力 、 变形 、 延性等性 能 J ， 因此 ， 研 究混凝 土板 的 P 一 曲线具 有重要 意义。本 文在试 验研究 的基础 上 ， 通过 A N S Y S软件模拟分析得到 了 F R P筋混凝 土双向板 P W曲线 ， 并 与试验所得 P 一 曲线进行对 比分析 ， 发现 A N S Y S分析得到的 P W曲线与试验所 得 P W曲线吻合较好。A N S Y S分析所得混凝 土板 的极限承载力略大于试验值 。 2 试验 板设计 与试验方法 本次试验分别 以混凝土强度 、 F R P筋配筋率 、 混 凝土板内增强筋的材料、 荷 载作用位置等为参数设计 了 8 块正方形混凝土板， 如 图 1 所示 ， 虚框表示荷载作 用 位 置。板 的 尺 寸 为 1 8 m1 8 m 0 1 5 m， 底 层配有双向 F R P筋 b l O 0 1 2 5 m。试验双向板的计 算跨度 为1 5 m， F R P筋保 护层厚度为0 0 1 5 m J 。试 验板 的配筋设计为 S - 1配 置 1 3 1 6钢 筋 ( 0 9 7 ) ； S 一 2 配 置9 q 9 1 0 F R P 筋 I ! ：8地 一 ( a ) 平面 。 I = = = = = 二 = = = = 寸 二二五 二 下 。 ( b ) 断面 图 1 试验双 向板示意图 Fi g 1 S c he ma t i c d i a gr a m of t wo- wa y s l ab f o r t h e t e s t ( 0 2 9 ) 和4 1 6钢筋( 0 3 ) ； S - 3至 S 一 8分别配置 9 ， 1 7 ， 1 3 ， 1 3 ， 1 3 ， 1 3根 1 0的 F R P筋 ， 配筋率分别为 0 2 9 ， 0 2 9 ， 0 5 5 ， 0 4 2 ， 0 4 2 ， 0 4 2 。 试验双向板 四边均匀放置球窝支座以达到四边 简支 的效果， 将球窝支座放置在支撑钢框上 ， 使用液 压千斤顶和油泵通过 B L R一1型 1 0 0 t 拉压力传感 器对试验板进行加压 ， 并通过 C M 一 2 B型静态应变 测试仪对荷载进行 控制 。以初估破坏荷载 的 1 1 0 左右为加载级差进行试验 j ， 同时通过安装在荷载 作用中心板底面的位移传感器读出在每级荷载对应 的挠度值 ， 最后得到试 验纤维增强塑料筋混凝土双 向板的 P 一 曲线 ， 如图 2中( a ) 至( h ) 的实线所示。 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 4 0 1 ： 修 回日期 ： 2 0 1 3 0 5 2 5 作者简介： 候黎黎( 1 9 8 4一)， 男 ， 河南登封人 ， 助教， 硕士 ， 主要从事水工材料及其结构安全性研究 ， ( 电话 ) 1 3 7 8 3 4 5 9 2 3 9 ( 电子信箱) h o u l il i x i a o d a n 1 6 3 12 0 1 11 。 1 T _ 8 8 长江科 学院 院报 2 0 1 4年 一 试验曲线 A NS Y S 分析 曲线 ( c ) S - 3 f e S - 5 2 O O z 1 5 0 l O 0 5 0 2 3 5 0 。 0 2 0 0 5 O ( f ) S - 6 O 5 1 0 1 5 2 O 25 ( h 1 s I 8 图 2 试 验和 A N S Y S分析所得混凝土板的 P - 曲线 F i g 2 P- W c u r v e s o b t a i ne d f r o m t h e t e s t a n d t h e ANS YS s i m u l a t i o n 3材料参数及 A N S Y S分析模型 试验板 的材料属性见表 1 ， 表 中 ， E， ， P， P 分别为试验板的混凝土立方体抗压强度 、 弹性模量 、 泊松 比、 混凝土板 的密度 、 试验所测板 的极限承载 力 。q b l 0 F R P筋的抗拉强度为 1 0 1 6 MP a ， q b l 6钢筋 的抗拉强度为 4 6 8 MP a 。 表 1 材料属性 Ta b l e 1 M a t e r i a l p r o p e r t i e s 利用 A N S Y S模 拟混凝土板采用的模 型通常有 3种 ， 第 1 种是整体式模型， 即认为混凝板 内的加 强筋均匀分布于板内， 这种模型比较简单、 易于操作， 但是精度较低 ； 第 2种是分层式模 型， 这种建模方法 将混凝土板分成上、 中、 下 3层 ， 上、 下层是混凝土 ， 中 层是和加强筋体积相当的一层筋材， 建模时根据配筋 率换算； 第 3种是分离式模型， 这种建模方法是将钢 筋与混凝土分别用三维实体单元建成， 将钢筋离散地 分布在混凝土板中。本次模拟时， 板采用三维实体单 元 ， 纤维增强塑料筋采用杆单元 ， 受力筋与混凝土之 间采用分离式模型建模 ， 并 视 2种单元 为 完全连 接 ， 不考 虑 F R P筋 与 混凝 土 之 间 的 滑 移。分 布 F R P 筋和混凝土之间采用整体 式模型建模。纤维增强塑 料筋混凝土双 向板有限元 模型如图 3所示 。所有实 体单元都是正六 面体单 元 ， 共 剖 分 了 1 7 3 6个 单 图3 试验板建模及 元 ， 2 8 0 2个 节 点， 其 中， 网格划分 1 5 6 8 个是 S O L I D 6 5单元 ， F i g 3 Mo d e l i n g a n d 1 6 8个 是 S O L | D 4 5单 元。 m e s h i n g o f t e s t s l a b 以逐渐加载的方式对混凝土板 面施加均布面荷 载， 集 中荷载作用面积为0 1 5 i n x 0 1 5 m。 4 集 中荷载作用下混凝 土板 的 P W 曲 线 P W曲线包含 了 F R P筋混凝土双 向板 受力过 程 中的诸多特征 ， 如 F R P筋混凝土双向板的极 限冲 切承载力 、 极限变形 、 板 的刚度变化 、 破坏过程 中的 耗能能力等。以冲切试验过程 中每级荷载值 P( 单 位 ： k N) 为纵坐标 ， 以对应于每级荷载值 的荷载 中心 挠度值 W( 单位 ： m m) 为横 坐标 ， 绘制出编号为 S - 1 至 s 一 8的 F R P筋混凝 土双向板 的 P W 曲线 ， 如 图 2 ( a ) 至( h ) 中的实线所示。同时 ， 把利用 A N S Y S软 件模拟 的板 S - 1至 S - 8的荷 载、 挠度值绘成荷载 一 挠度曲线 ， 如图 2 ( a ) 至( h ) 中的虚线所示。下面通 过分析 P W曲线来揭示 F R P筋混凝土双向板在集 中荷载作用下的受力特点 、 影响冲切破坏 的主要 因 素 、 构件破坏时的延性及用有限元分析取代部分试 验研究的可行性。 4 1 板的冲切受力过程 板的 P W曲线反应 了集 中荷载作用下 的 F R P 第5期 侯黎黎 等 有限元模拟F R P筋混凝土双向板的冲切过程 8 9 筋混凝土双向板从加载开始到发生冲切破坏以及承 载能力逐渐消失这一整个过程 的受力及变形特征 。 结合图 2中( a ) 至( h ) 的 P W曲线的变化情况 ， 可以 将 F R P筋混凝土双向板的受力分成弹性变形 、 带裂 缝变形 、 破坏以及荷载下降 4个阶段。 第 1阶段 ， 即弹性变形阶段 ： 无论是观察图中的 试验曲线还是 A N S Y S分析 曲线 ， 都可以发现在外荷 载达到破坏荷载 3 0 左右的受力过程 中， P W曲线 为一条斜直线 ， 荷载与变形成正 比例变化。因为在 荷载较小的情况下 ， F R P筋混凝土双向板处 于弹性 受力变形状态 ， 撤去外力 ， 变形能够完全恢复。该 阶 段内板中的配筋承担较 小的荷载 ， 外 加荷载 主要 由 混凝土来承担 。A N S Y S模拟 的 P W曲线与试验 曲 线完全重合。P W曲线 的斜率 为一定值 ， 说 明在这 一 阶段试验混凝土板的刚度没有出现损失。 第 阶段 ， 即带裂缝变形 阶段 ： 从板底 面出现 第 1 条裂缝到破坏荷载的 8 0 左右的受力过程。从 图 2中的 P W曲线可以看 出， 这一 阶段 中 P W曲线 的斜率逐渐减 小 ， 板 的刚度 出现 衰减 ， 曲线远 离 P 轴 ， 表现出明显的非线性特征。该阶段中， 随着荷载 的增大 ， 板底面的裂缝相继出现 ， 板底面受拉区的混 凝土逐渐退 出工作 ， 外部荷 载主要 由板 内的配筋承 担 。试验中观察 到， 接近破坏荷 载的 8 0 左右 时， 板底面出现较多裂缝 ， 加载中心 的挠度增加速度大 于荷载的增 大速度。之后 ， P W曲线 开始进入第 阶段。在这一阶段 中， 板 中配置的 F R P筋 的应变较 之第 1阶段增大很多。 第 阶段 ， 即破坏 阶段 ： 当荷载值增大 到 8 0 之后 ， P W曲线 明显偏 向 W轴 ， 此时 ， 荷载增加明显 困难 ， 荷载中心 的挠度却增大较快 。试验 中沿着 集 中荷载施 加 中心 附近 区域 出现 明显 的下 陷现象 。 A N S Y S分析 中， 按 照预设的破坏准则 ， 混凝土板 发 生冲切破坏 。伴随着破坏 的发生 ， P W曲线达 到最 高点 ， 即为 F R P筋混凝土双向板发生 冲切破坏时的 极限承载力 。 第阶段 ， 即荷载下降阶段 ： 板的冲切破坏在瞬 间 内完成 ， 之后荷载开始急剧下降， 直到稳定在极限 承载力的 1 5 左右 ， 这一 阶段称为曲线下降和承载 力渐失阶段 。这一阶段 中， 板 的刚度 出现了巨大的 损失。 4 2 P - W曲线的影响因素 P W曲线的斜率、 最高点 、 形状分别反映了混凝 土构件 的刚度 、 极限承载力以及荷载挠度变化情况 ， 下面分析影 响 P W曲线 的几种 因素 ， 也 就是 影 响 F R P筋 混凝 土双 向板 冲切 破坏 特性 的影 响因素 ： F R P筋配筋率、 混凝土强度 、 几种荷载作用位置。 如图 2中的( C ) ， ( d ) ， ( e ) 所示 P W曲线 ， 随着 F R P筋配筋率 由0 2 9 ， 0 4 2 增大No 5 5 ， 试验 板的整体刚度不断变大 ， 混凝土板发生冲切破坏时 的极 限荷载呈现出增大 的趋势 ， 板的冲切承载能力 明显有所提高 。然而 ， 随着配筋的增加 ， 相同荷载下 荷载 中心处的挠度却不断减小 ， 板发 生冲切破坏 时 的挠度更小 ， 破坏时呈现出更大的脆性特征。因此 ， F R P筋配筋率 ( 配筋 的多少) 是影响 F R P筋混凝土 板冲切性能的重要 因素之一。至于随着 F R P筋配 筋率的进一步增大， F R P筋混凝土双 向板 的冲切 承 载力是否能继续增大 ， 以往对钢筋混凝土双向板 冲 切破坏研究 中认为钢筋的配筋率在某一个特定的范 围内是成立的 。因此 ， 可以断定 ， F R P筋混凝土 双向板的冲切承载力与其配筋的正相关关系也一定 是在某一配筋率范围内才满足的。这一特定配筋率 的范围有待于进一步开展试验研究来确定 。 对 比图 2中的( d ) ， ( e ) ， ( g ) 所示 P W曲线 ， 可 以看出， 随着混凝土强度 等级的不断提 高， 试验 中 F R P筋混凝土双 向板的整体 刚度不断增 大， 极 限荷 载也逐渐增大 ， 冲切承载能力有所提高 ， 但提高幅度 有限 ， 相同加载情况下 的荷载中心挠度减小 ， 最大破 坏挠度增大。因此 ， 混凝土强度等级是另外一个影 响 F R P筋混凝土板冲切性能的重要因素。但是 ， 值 得一提的是 ， 不能一味地靠提高混凝土强度的办法 来提高混凝土板的极 限承载力 ， 因为 当混凝 土的强 度达到一定范围时 ， 混凝土板破坏时的脆性更大 ， 以 致于不能满足构件破坏时对变形 的要求。 对 比图 2中的( e ) ， ( f ) 所示 P W曲线， 可 以看 出， 随着集中荷载位置 的移动， F R P筋混凝土双向板 的冲切承载力也发生了变化 。荷载作用位置对混凝 土双向板 极限 冲切 承载力 的影 响通 常用冲跨 比 A 来衡量 ， 这里采用等效 冲跨 比 A ( 通过对 2个方 向 的4个冲跨比乘积开 4次方 ， 即 A = A A A ， A ) 。 随着冲跨 比 A 的增大 ， 试验 F R P筋混凝土双 向板 冲切 极 限 承载 力 降低 ， 二 者大 致 呈反 比例 关 系。 图4 所示为集中荷载处于中偏置和双偏置情况下混 凝土板的变形云图， 结合试验结果 ， 不论集中荷载 的 位置在什么地方 ， 荷载作用 中心及其附近区域 出现 应力集中， 变形最大 ， 因此 ， 试验 中板 的破坏都是从 荷载中心附近冲出一个近似的四棱锥体。 4 3延性 可以用荷载 一挠度 曲线与横轴所包 围面积的大 小来衡量 F R P筋混凝土双 向板发生冲切破 坏时的 延性及破坏过程 中的耗 能能力 j 。从 图 2 ( a ) 不难 第5期 侯黎黎 等 有限元模拟 F R P筋混凝土双向板的冲切过程 9 1 ( 第三版 ) M 北京： 中 国水利水 电出版社， 2 0 1 1 ( HE B e n g u o ，C H E N T i a n y u ，WA N G Y a n g A p p l i c a t i o n E x a mp l e s o f A N S Y S i n C i v i l E n g i n e e r i n g( T h e T h i r d E d i t i o n ) M B e ij i n g ： C h i n a Wa t e r P o w e r P r e s s ， 2 0 1 1 ( i n C h i n e s e ) ) 谢晓鹏 钢筋局部钢纤维混凝土板冲切性能研究 D 郑州： 郑州大学， 2 0 0 7 ( X 1 E X i a o p e n g P u n c h i n g S h e a r P r o p e r t i e s o f C o n c r e t e S l a b wi t h P a r t i a l l y Re i n f o r c e d H i g h S t r e n g t h S t e e l F i b e r D Z h e n g z h o u ： Z h e n g z h o u U n i v e r s i t y ， 2 0 0 7 ( i n C h i n e s e ) ) N A N N I A F R P R e i n f o r c e , 1 f o r C o n c r e t e S t r u c t u r e s J C e m e n t a n d C o n c r e t e C o mp o s i t e s ， 1 9 9 4， 1 6 ( 1 ) ： 6 5 6 6 8 D A V I L A M AU s i n g F i b e r R e i n f o r c e d P l a s t i c( F R P ) R e i n f o r c i n g B a r s i n R C B e a m s a n d S l a b s C C r e a t i v e S y s t e ms i n St ru c t u r a l a n d Co ns t r uc t i o n En g i n e e r i ng：Pr o c e e d i n g s o f t h e F i rst I n t e r n a t i o n a l S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g a n d C o n s t r u c t i o n C o nfe r e n c e ，Ho n o l u l u，Ha wa i i ，J a n u a r y 2 4 2 7，2 001：47 34 77 Fi n i t e El e me n t S i mu l a t i o n o n t h e Pun c h i n g Pr o c e s s o f FRP Re i n f o r c e d Co n c r e t e Two - wa y S l a b s HOU Li 1 i 一ZHANG Ya k u n ， ( 1 Y e l l o w R i v e r C o n s e r v a n c y T e c h n i c a l I n s t i t u t e ， K a i f e n g 4 7 5 0 0 4 ，C h i n a ； 2 En g i n e e r i n g Te c hn o l o g y Re s e a r c h Ce n t e r o f S ma l l W a t e r s he d Co n s e r v a n c y u n d e r U n i v e r s i t i e s o f H e n a n P r o v i n c e ， K a i f e n g 4 7 5 0 0 4， C h i n a ) ( 编辑： 刘运飞) Abs t r a c t： I n t hi s r e s e a r c h，we e x p l o r e d t h e f e a s i b i l i t y o f us i ng fin i t e e l e me n t me t h o d t o r e s e a r c h t h e p u n c h i n g s h e a r p e d -0 r m a n c e o f F R P( F i b e r R e i n f o r c e d P o l y me r )b a r r e i n f o r c e d c o n c r e t e t w o w a y s l a b u n d e r c o n c e n t r a t e d l o a d s Th e fin i t e e l e me n t mo d e l o f F RP b a r c o nc r e t e t wo wa y s l a b s wa s e s t a b l i s h e d b y us i n g ANS YS s o f t wa r e，a n d t h e s l a b S p u n c h i n g s h e a r f a i l u r e p r o c e s s w a s s i mu l a t e d T h e P W c u rve s( 1 o a d d e fl e c t i o n c u r v e s )i n A N S Y S s i m u l a t i o n we r e o b t a i n e d a nd we r e f u r t h e r c o mp a r e d wi t h c u r v e s o b t a i n e d f r o m o f f s e t c o nc e n t r a t e d l o a d t e s t s Re s u l t s r e v e a l e d t h a t t he s i mu l a t i o n c ur v e s we r e i n g o o d a g r e e me n t wi t h t e s t c u r v e swh i c h i n d i c a t e d t h a t ANS YS s i mu l a t i o n i n s u b s t i t ut i o n o f p a r t i a l p u nc h i n g s h e a r t e s t s i s f e a s i b l e F ur t h e r mo r e，a n a l y s i s o n t h e P W c u rve s s h o we d t h a t t h e p un c h i n g f a i l u r e o f FRP b a r c o n c r e t e t wo wa y s l a b u n d e r c o n c e n t r a t e d l o a d i s a l o c a l brit t l e f a i l u r ea n d c o n c r e t e s t r e n g t h，ma t e ria l ，r e i n f o r c e me n t r a t i o，a s we l l a s l o a d l o c a t i o n a r e t h e ma i n f a c t o r s a f f e c t i n g t h e s h a p e，h i g h e s t p o i n t a n d s l o p e o f t h e P W c u r v e s Ke y wo r ds ： fib e r r e i n f o r c e d p o l y me r ；c o nc r e t e s l a b；p u n c h i n g；ANS YS；fin i t e e l e me n t 盎 客 套 客 套 盒 客 盎 基 长江科学院新获两项国家发明专利 由长江科学院水力学研究所发明的“ 减轻截留难度及用于江河护堤的抛投材料” 、 “ 水利工程多功能一体化 治漂浮槽系统” 获得中华人 民共和国知识产权局颁发的发明专利证书， 授权公告 日为 2 0 1 4年 1 月 2 2日。 其中“ 减轻截 留难度及用于江河护堤的抛投材料 ” 为水力学所承担的国家 “ 十一五” 科技支撑课题深厚 覆盖层条件导截流及围堰安全控制技术专题二“ 减轻截流难度 的关键技术研究 ” 研究成果 。 目前 ， 水力学所在“ 水利工程多功能一体化治漂浮槽 系统” 技术基础上 ， 开展本院研发与转化基金项 目 水力一体治漂技术研究工作。该项 目 针对河道漂浮物( 包括水葫芦等) 治理是水利工程的环保难题， 对水环 境 、 发电、 航运 、 取水 、 输水等工程的影响渐趋严重 ， 目前的治理方式费时费力 ， 效果不稳定难以满足工程需要 等问题 ， 结合水力学所在长期研究葛洲坝、 三峡等工程漂浮物问题的过程 中， 对河道漂浮物运移规律及调控 方式 的较为全面认识 ， 首先提出利用河势及水力 等有利条件 因势利 导长效综合治漂的思路 ， 实现拦、 导、 清 ( 排 ) 一体治漂。 ( 摘 自： 长江水利科技网 )