摘 要: 根據(jù)自密實混凝土的性質,在其墻體中配置鋼筋,采用有限元軟件ANSYS 建立模型,分析了墻體的力學性能,對比得出受剪承載力及墻體頂點位移的計算公式.
關鍵詞: 自密實混凝土;有限元軟件ANSYS;力學性能;計算公式
中圖分類號: TU375. 6 TU502 + . 6 文獻標識碼: A
0 引 言
自密實混凝土(Self Compacting Concrete) 也被稱作高流態(tài)混凝土(Highly Fluidized Concrete) 是指混凝土拌合物主要靠自重,不需要振搗即可充滿模型和包裹鋼筋. 它屬于高性能混凝土.
1993 年日本東京大學岡村甫教授介紹了自密實混凝土的配合比設計方法. 他的觀點如下:首先對漿體和砂漿進行實驗以檢測超塑化劑、水泥、細骨料和火山灰摻合料之間的相容性,然后進行自密實高性能混凝土的配合比實驗. 這種方法的優(yōu)點是避免了重復進行同樣的混凝土質量控制實驗,節(jié)省了時間和勞動力. 這種方法的缺點:在自密實高性能混凝土配合比設計之前,要對砂漿和漿體進行質量控制,而許多混凝土預拌廠商沒有做這些實驗所需的設備,同時配合比設計和過程對于實際應用過于復雜.
岡村甫教授還提出了簡單的自密實高性能混凝土配合的比例: 粗骨料的用量為固體體積的50 %;細骨料的用量為砂漿體積的40 %;體積水灰比取決于水泥的性質,假定為0. 9～1. 0 ;超塑化劑的用量由最終的水灰比來決定.
本文根據(jù)自密實高性能混凝土的研究技術,采用了在有空洞的自密實高性能混凝土墻體中配置鋼筋來模擬墻體的破壞情況.
1 墻體有限元模型的建立
1. 1 配筋形式
墻體主要靠墻體內部縱向、橫向和上下左右都能貫通的孔槽內插入鋼筋之后再澆筑自密實混凝土所形成的剛性骨架來抵抗變性. 其內部自密實混凝土骨架如圖1 所示, 骨架中的配筋如圖2 所示[1] .
1. 2 墻體有限元模型的建立
墻體的高寬比不僅影響墻體截面的應力分布、破壞形態(tài),而且直接影響墻體的受剪承載力. 低剪力墻(高寬比≤1) 延性差,破壞形式為剪切破壞. 因此本文采用的模型是1520 ×1520 的帶孔洞的墻體, 如圖1 所示. 模型中混凝土采用C30 , f ck =20. 1NPmm2 , f tk = 2. 01NPmm2 ,彈性模量Ec = 3. 0 ×104 ×0. 9Mpa[2 ] , 泊松比為0. 2 , 鋼筋分別采用HRB235 和HRB400 ,鋼筋的彈性模量為Es = 2. 1 ×105MPa ,泊松比為0. 3.
1. 3 單元體的選擇
在ANSYS 中用特有的SOLID65 和LINK8 來模擬墻體時要考慮這兩種單元之間的共用節(jié)點. 本文在建模的過程中利用平面來分割混凝土實體結構,再從分割的平面上確定LINK8 單元,從而確保了混凝土單元和鋼筋單元擁有共同的單元,保證兩者之間位移的協(xié)調.
1. 4 混凝土的開裂模型
本文采用彌散裂縫對試件的開裂過程加以描述. 彌散裂縫是一種以連續(xù)的形式分布于單元中的裂縫,開裂后混凝土仍保持某種連續(xù)性. 如果取裂縫方向作為一個局部坐標t ,則沿局部坐標軸的兩個正方向混凝土具有不同的力學性質. 即第一條裂縫出現(xiàn)后,該處成為正交各向異性,重新給出本構矩陣. 某一單元內的高斯數(shù)值積分點上的拉應力達到開裂強度,則認為這一高斯積分點垂直于主拉應力方向的混凝土開裂. 開裂后的鋼筋混凝土單元仍符合正交異性材料假定,其混凝土材料性質由破壞準則定義參數(shù)確定.
其中張開裂縫的剪切傳遞系數(shù)和閉合裂縫的剪切傳遞系數(shù)取值區(qū)域為[0. 0 ,1. 0 ][3 ] ,1 表示粗糙的裂縫,沒有剪力傳遞作用損失,而0 表示平滑的裂縫,裂縫完全分開不能傳遞剪力.
本文中張開裂縫的剪切傳遞系數(shù)取為0. 3 ,閉合裂縫剪切傳遞系數(shù)取為0. 9. 從William - Warnke 五參數(shù)強度模型理論可知:在低靜水壓力和高靜水壓力狀態(tài)下,混凝土的性能是不同的. 如果在低靜水壓力狀態(tài)下,只需輸入f t 和f c 就行了. 在高靜水壓力狀態(tài)下,則需要輸入所有參數(shù).
本文假定單軸抗壓強度為- 1 ,后面靜水壓力等四個參數(shù)不用設定. 此時相當于帶有“拉力截斷”的Von Misses 模型,盡管與標準的混凝土本構關系模型有一定的差異,但在水壓力不是很大的情況下仍然可以取得較好結果.
2 墻體計算結果及其分析
2. 1 節(jié)能墻體的力學性能
節(jié)能墻體是在墻體模板中沿縱橫向插入鋼筋后,再澆入高流動性自密實混凝土. 混凝土硬化以后形成縱橫連接的、帶有孔洞的混凝土墻體. 由于此墻體不但起到維護作用,而且要承受豎向和水平荷載作用,因此本文認為節(jié)能墻體符合剪力墻的特征.當剪力墻連續(xù)剛度和墻肢寬度基本均勻時,如滿足下列條件,可按小開口整體墻計算[4 ] .
本文采用模型的孔洞率經計算為24. 7 % > 15 % ,同時根據(jù)公式(2) 計算出的α = 34. 2 ,符合公式(1)的要求,因此此墻體符合小開口整體墻的計算條件.
2. 1. 1 受剪承載力
墻體高寬比不僅影響墻體截面應力分布、破壞形態(tài),而且直接影響墻體受剪承載力. 高寬比較小的墻體的破壞形態(tài)大多呈剪切破壞形式,高寬比較大的墻體則大多呈彎曲破壞形式. 我國現(xiàn)行的《砌體結構設計規(guī)范》( GB50003 - 2001) 通過剪跨比間接反映墻體高寬比對配筋混凝土砌塊砌體剪力墻受剪承載力的影響. 本文所采用模型的高寬比為1 ,它相當于小剪跨比的類型,因此墻體的主要破壞形式應為剪切破壞.
混凝土墻體經受剪切破壞可以認為是兩部分在承擔截面的剪應力. 在它的破壞過程中可以分為兩個階段. 第一個階段為混凝土開裂之前的剪應力完全是由混凝土來承擔的,第二階段為混凝土開裂以后,此時的剪應力由混凝土和鋼筋共同承擔. 其中豎向鋼筋只考慮其受拉或受壓作用,水平鋼筋起到抗剪的作用. 水平鋼筋的貢獻主要是裂縫處鋼筋受拉對強度的貢獻和鋼筋對力的傳遞產生的墻體應力重分布,沿整個斜裂縫的所有水平鋼筋受力是不均勻的,在極限荷載時,水平鋼筋平均發(fā)揮屈服強度的41 %[5 ] . 考慮到安全余量的問題,按41 %計算水平鋼筋的受剪承載力高估了水平鋼筋的作用,偏于不安全. 根據(jù)劉桂秋和施楚賢等人所做的實驗結果,本文采取了鋼筋的系數(shù)為0. 3. 另外混凝土開裂前的強度參考現(xiàn)行的設計規(guī)范[6] ,得出以下公式:
式中: N - 與剪力設計值相對應的軸向壓力設計值,當N > 0. 2f cbh 時取N = 0. 2f cbh ;
b - 剪力墻的厚度;
h0 - 剪力墻的高度;
Aw - 剪力墻截面混凝土的面積;
A - 剪力墻截面面積;
f yh - 鋼筋屈服應力;
As - 單根水平鋼筋截面面積;
n - 混凝土開裂后承受剪力的水平鋼筋數(shù)量.
2. 1. 2 墻體頂點位移
由于墻體符合小開口整體墻的計算條件,墻體頂點位移可以采用規(guī)范中規(guī)定的剪力墻位移計算公式.
式中V0 是基底x = H 處的總剪力,即全部水平力之和; Aq 取無洞橫截面面積乘以洞口削弱系數(shù)
μ為剪應力不均勻系數(shù). 考慮到墻體開孔以后剛度的削弱,可以將公式(4) 乘以系數(shù)1. 2 來求小開口墻的位移.
2. 2 有限元的計算結果與分析
表1 剪應力有限元計算結果與理論計算結果對照表
根據(jù)本文所建的模型, 在模型上分別施加200kN 和300kN 的水平力,經過計算以后得出模型的開裂圖和應力圖如圖3 - 6 所示. 由圖中可知當水平力為300kN 時,三根鋼筋抵抗剪應力,當水平力為200kN 時,有兩根鋼筋抵抗剪應力,具體計算對照見表1.
模型在水平受力的情形下,頂點位移圖如圖7 ,圖8 所示. 用ANSYS 計算的位移與理論計算的位移對照如表2 所示.
表2 位移有限元計算與理論計算對照表
通過表1 和表2 的比較結果表明公式計算的剪應力和頂點位移與利用ANSYS 程序進行的有限元計算結果吻合較好,可以將公式應用于新型節(jié)能墻體的力學性能分析計算.
3 結 論
采用ANSYS 有限元程序,分析了墻體在單向豎向荷載作用下和單向水平荷載作用下的結構性能,得出如下結論:
(1) 根據(jù)墻體在豎向荷載作用下的破壞形式,得出了混凝土開裂前的強度計算公式.
(2) 由于墻體符合小開口整體墻的計算條件,墻體頂點位移可以采用規(guī)范中規(guī)定的剪力墻位移計算公式. 但考慮到墻體開孔以后剛度的削弱,可以將公式乘以系數(shù)1. 2 來求小開口墻的位移.
參考文獻:
[1] ES LEGACY REPORT , 2004. June. 1.
[2] 自密實混凝土設計與施工指南[M] . 北京,2005.
[3] 郝文化. ANSYS 土木工程應用實例[M] . 北京:中國水利水電出版社,2005 ,1.
[4] 包世華,方鄂華. 高層建筑結構設計[M] . 北京:清華大學出版社,2002 ,2.
[5] 劉桂秋,施楚賢,呂偉榮. 砌體剪力墻的受剪性能及其承載力計算[J] . 建筑結構學報,2005 ,10.
[6] 混凝土結構設計規(guī)范[S] . 2002 ,4 ,1.
