钢骨超高强混凝土结构数值模拟.pdf

低温建筑技术 2 0 1 0年第 1 O期 总第 1 4 8 期 钢骨超 高强混凝土结构数值模拟 郭宇 ， 贾金青 1 ．天津铁道职业技术学院建筑工程 系， 天津3 0 0 2 4 0； 2 ．大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室 ． 大连1 1 6 0 4 【 摘要】 钢骨超高强混凝土结构应用越来越广泛， 国内外已经对钢骨超高强混凝土结构性能的研究大量 开展 ， 有限元数值模拟作为试验研究的重要辅助手段， 有必要开展钢骨超高强混凝土结构的数值模拟， 本文介绍 了如何采用 A N S Y S软件对钢骨超高强混凝土结构进行模拟， 讨论了模拟过程中需要注意的问题。 【 关键词】 钢骨超高强混凝土； A N S Y S ； 数值模拟 【 中图分类号】 T U 5 2 8 ． 3 1 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 2 0 1 0 1 0 - 0 0 2 6 一 o 3 钢骨超高强混凝土以其强度高、 耐久性好、 抗震性 能好等优点越来越受青 睐 ， 在许多高层、 大跨结构 中得 到广泛应用。有限元数值模拟作为试验的重要辅助手 段， 对钢骨超高强混凝土数值模拟也需要深入的研究。 1 钢骨超高强混凝土有限元模型 钢骨混凝土结构有限元分析跟其它固体材料 的 有限元分析在原理与方法上是相同的。但又有其特殊 性。钢骨混凝土结构由型钢、 钢筋与混凝土三种不同 材料组成， 型钢混凝土结构的材料本构关系具有特殊 性和复杂性 。一般钢筋混凝土结构 的有 限元模型主要 有三种方式 分离式、 组合式、 整体式模型。目前在型 钢混凝土结构中应用较多的是整体式和分离式模型。 1 ． 1 整体式模型 当钢筋在结构中分布比较均匀， 且认为钢筋与混 凝土之间无相对滑移 时 ， 可 以采用 整体式模 型。该 模 型认 为钢筋弥散于整个单 元 中， 把钢筋混凝 土单元 视 为一个综合的整体单元， 适用于各种平面单元。整体 式模型单元划分灵活， 由于整体考虑钢筋和混凝土的 贡献， 模型计算效率高， 收敛速度快， 但是不能合理刻 画出钢筋和混凝 土之 间的粘结作用。 1 ． 2 分离式模型 分离式模型是把钢筋和混凝土分别作为不同的 单元来处理 ， 采用这种方法可以将钢筋作为线形单元 来处理， 可以大大减少单元数目， 同时避免在钢筋与混 凝土交界处使用很多过渡单元。如果考虑钢筋、 型钢 与混凝土之 间的粘结滑移 ， 在钢筋 、 型钢与混凝土之间 可 以插入联结单元 ， 用来模 拟钢筋与混凝 土之 间的粘 结和滑移 的。如果认 为钢筋 、 型钢与混凝 土之间粘 结 很好 ， 没有相对滑移 ， 可 以不用 联结单元 ， 在型钢 和混 凝土交界处， 采用钢筋、 型钢单元和混凝土单元采用共 节点方式 ， 协同工作 。 2单元模型 【 基金项 目] 国家 自然科学基金 5 0 8 7 8 0 3 7 2 ． 1 混凝土模型 A N S Y S 提供了一种特殊的单元 S o l i d 6 5 ， 专门用于 模拟混凝土和岩石材料。S o l i d 6 5单元有 8个节点， 每 个节点都具有沿 、 y 、 z三个方向的 自由度。该单元 具有塑性变形、 蠕变的特性 ， 能够在三个正交方向上模 拟混凝土开裂以及压碎。此单元很形象地描述了混凝 土的带裂缝工作性能， 与实际情况较接近。S o l i d 6 5单 元在普 通 8 节点三维等参元 的基础上增加了针对混凝 土材料的三维强度准则 Wi l l i a m Wa r n k e五参数准则 和 由弥散钢筋单元组成 的整 体式钢 筋模型 ， 它 可以在 三维空间分别设定钢筋的位置、 角度、 配筋率等参数。 单元的几何形状和节点其单元形状如图 1 。 图1 S o l i d 6 5 一 混凝土单元 S o l i d 6 5 单元的基本属性 主要有 以下 5 方面 I 每个单元有 2 X2 2个高斯积分点， 所有 材料性能分析都是基于高斯积分点来进行的。 2 用弹性或弹塑性模型描述材料受压行为。 3 破坏 面是 由应 力空 间决定 ， 当应力达 到破 坏面时 ， 就判定出现压碎或开裂 。 4 可以使用整体式钢筋模型， 将钢筋弥散在 混凝土单元中。 5 使用弥散固定裂缝模型， 每个高斯积分点 上最多有三条相互垂直的裂缝 。 2 ． 2 钢筋和型钢单元 。 郭字等 钢骨超高强混凝 土结构数值模 拟 钢筋单元 可以采用 A N S Y S中的 L I N K 8 单 元 或者 P i p e 2 0来模拟 ， 型钢及加劲肋 可以采用 A N S Y S中提供 的 8节点实体单元 S o l i d 4 5模拟 ， 每个节点 有 U X， u Y， U Z三个平 动 自由度 ， S o l i d 4 5可 以考 虑用 于大变形 ， 大 应变和塑性分析 。 3 本构 关系及破坏准则 3 ． 1 本构关系 1 混凝 土本 构关 系 混凝 土本 构关 系 是钢 骨 混凝土有 限元分析 的重 要基础。对于混凝土在单轴受 压下 的本构关 系， 很 多学者 根据试 验 曲线 提 出 了很 多 不同的表达式。有不考虑箍筋约束作用和考虑箍筋约 束作用的， 还有针对于不同强度等级混凝土的。国外 主要有 S a e n z ， H o n g n e s t e d ， s a r n等人提出的一些经典 表达式 ， 国内针对高 强超 高强 混凝 土方面 ， 有 过镇 海 ， 蒲心诚 ， 李惠 等人提 出的表达式 。 D a 针对超高强混凝土 ， 作者经过实际 的建模 和 比较 ， 建议 可 以采用 了清 华 大学过 镇海 2 0 0 3 提 出 的高强 混凝 土 的应力一应 变 曲线 。 因为 曲线 中考 虑 了混 凝 土 的下 降段 ， 模 拟 的结果 与试 验 的结 果更 为接 近。 表达 式如下 上 升段 ≤1 ， Y 3 2 a x 口一 2 X ， a2 ． 40 ． 0 下 降段 ≥1 ， Y a ， l戈 一 l J 十 a 0 ． 1 3 2 f 0。 ． 7 一 0 ． 9 0 5 2 型钢及钢筋本构关系 对于型钢混凝土结 构中的型钢和钢筋可以看作是理想的弹塑性材料， 其 本构模型选用理想弹塑性本构模型。可以采用双线型 或者 多折线 型的应力一应 变曲线 ， 见图 2 。 3 ． 2破坏准则 图2 型钢和钢筋的应力一 应变曲线关系 1 混 凝 土破 坏准 则 在 A N S Y S中 ， S o l i d 6 5单 元的破坏 面为 改进 的 Wi U i a r n Wa mk e五参数 破坏 面 ， A N S Y S中是否达 到破 坏 面 的判 断采 用 以下方 程 ， 即 F ／ f c 一S 30 。 2 型 钢及 钢 筋 破坏 准 则 型钢 模 型 采 用 y o n M i s e s 强度准则 、 随动 强化 准则 以及不 相关 流动法 则 。 V o n M i s e s 屈服准则为 I l 。 4 钢骨超高强混凝土结构 有限元计算 1 材料参数 型钢、 钢筋和混 凝土 都是根据 试 验的参数输 入 ， 混凝 土材料需要输入 9 个 参数 裂缝开 裂时剪力传递系数、 裂缝闭合时剪力传递系数、 单轴抗 拉强度 、 单轴抗压强度 、 双轴抗压强度 、 周 围静水压力 、 静水应力状 态下双 轴极 限抗压 强度 、 静 水应力 状态 下 单轴压缩极限抗压强度及断裂发生时刚度乘 子。其 中 ， 前 4个参数必须输入 ， 第 5 8个可不输入 ， 但 如输 入其 中一个 就要全 部输 入。当混凝土单轴抗拉强度和 单轴抗压强度 设为 一1时 ， 不 考虑混 凝 土 的压碎 。根 据一些学者 的经验 和作者 的实践认 为 ， 当混凝 土 的压 应力 比较 大时 ， 应该关 闭其 压碎功能 ， 特别是在分析极 限荷载 时 ， 否则分析 得到 的收敛荷 载可 能远小 于试 验 所得 的极 限荷 载 ， 且计算也 较难收敛。 图3 单元 网络划分图 2 模 型建立 建 立模 型的 时候 可 以不考 虑钢 筋与 混凝 土之 间的粘 结 滑移 和 型钢 与混 凝 土之 间 的 粘结滑移。通过先建立单元节点 ， 在建立起实体模型， 并对 实体模 型进行 网格剖 分 ， 在混凝 土单 元共用 节点 处生成箍筋和纵筋单元。也可以考虑他们之间的粘结 滑移 ， 加人弹簧单元。由于超高强混凝土的强度很大， 与钢筋和型钢之间的粘结力很好 ， 不考虑粘结滑移， 也 可 以得 到理 想的计算结果 。 3 网格划分 由于钢骨超高强混凝土中有型 钢单元 ， 所 以网格 尺寸 的划 分会受 到 限制。可 以根据 型钢界 面 ， 对整体单元 网格规划划分 ， 见 图 3 。根 据实 际要模拟的结构的尺寸 ， 选取一个合适的网格尺度。 4 求 解及 收敛设 置 在 计算 时应 合 理 的设 置 加载步， 尤其对于模拟低周反复荷载作用下的结构更 为重要 。在确定 收敛 准则 时 ， 通 常 以力为 基础 的收敛 准则 提供 了收敛 的绝对量 度 ， 而 以位 移为基 础 的收敛 准则仅提供 了收敛 的相对量度 。因此一 般总是使用 以 力为基础 或 以力 矩 为基 础 的收 敛准 则 。当然我 们 可 以根据需要 增加 以位移 为基 础 或 以转 动为基 础 收敛准则来 检查计算结果 ， 但是通 常不 单独使 用它们 。 5钢骨超高强混凝土结构模拟时需要注意的问题 1 单元尺寸 的划分很重要 ，单元 网格密度太 2 8 低温建筑技术 2 0 1 0年第 l 0期 总第 1 4 8 期 减震 榫减 震性能试验研究 陈浩 ， 高 日 ， 李承根 ， 冯刚宪 1 ．北京交通大学土木建筑工程学院 ． 北京1 0 0 0 4 4； 2 ．铁道第一勘察设计院集 团有限公司． 西安7 1 0 0 4 8； 3 ．中国船舶重 工集团公 司第七二五研究所 ． 河南洛阳4 7 1 0 3 9 J 【 摘要】 结合高速铁路桥梁抗震设计的需要， 针对支座功能分离的设计理念， 通过试验对减震榫在低周反 复荷载作用下的滞回和耗能等性能进行了研究， 试验结果表明 减震榫在低周反复荷载作用下有很好的延性和耗 能能力， 在线弹性阶段有较大的刚度， 符合铁路桥梁对减震榫的要求。 【 关键词】 高速铁路桥梁； 减震设计； 支座功能分离 【 中图分类号】 T U 3 5 2 ． 1 【 文献标识码】 A I 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 2 0 1 0 1 0 0 0 2 8 0 3 S TU DY oN 唧S HoCK ABS oRBI NG PERF oRM ANCE S T 0lF ABS oRBER CHEN Ha o ，GAO Ri ，LI Ch e n g g e n ，FENG Ga n g x i a n 1 ． S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g ， B e i j i n g J i a o t o n g U n i v ． ， B e i j i n g 1 0 0 4 4 ， C h i n a ； 2 ． C h i n a R a i l w a y F i r s t S u r v e y a n d D e s i g n I n s t i t u t e G r o u p C o ． ，L t d ．，Xi ’ a l l 7 1 0 0 4 3， C h i n a ； 3 ． R e s e a r c h I n s t i t u t e o f 7 2 5 ， C h i n a S h i p b u l i d i n g I n d u s t r y C o r p o r a t i o n ， H e n a n L u o y a n g 4 7 1 0 3 9 ， C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e d e ma n d o f b r i d g e s e i s mi c d e s i gn i n h i g h s p e e d r a i l w a y a n d t h e i d e a o f b e a ti n g f u n c ti o n s e p a r a t i o n ， t h i s r e p o r t p r e s e n t s s o me a p p r o p r i a t e r e s u l t s o f t h e h y s t e r e t i c b e h a v i o r a n d e ne r g y d i s s i pa t i o n c a p a c i t y o f a b s o r be r un d e r the l o w c y c l e l o a d i n g e x p e r i me n t An d i t s h o ws tha t the d u c t i l i t y a n d e n e r g y d i s s i p a t i o n c a p a c i t y o f a b s o r b e r p e r f o r ma c e w e l l a t l o w c y c l e l o a d i n g ， a n d the s ti ff - h e s s i n l i n e a r e l a s t i c ph a s e i s i mp r o v e d， wh i c h me e t s t h e r e q u i r e me n t o f t he r a i l wa y b rid g e d e s i g n ． Ke y wo r ds h i g h s p e e d r a i l wa y b rid g e；s e i s mi c d e s i gn ；b e a rin g f u n c t i o n s e pa r a t i o n 1 减震榫设计理念 该设计理念是将桥梁固定支座改为活动支座， 在 [ 基金项 目】 国家 8 6 3计划项 目子课题 2 0 0 8 A A 0 3 0 7 0 7 正常使用状态下， 梁体传来的竖向反力及梁端的转角 仍由支座实现， 但梁体的水平反力及水平位移则 由减 小 ， 计算精度难 以满足 ； 反之 ， 单元总数量过多 ， 计算 耗 时长， 难以收敛。所以要选取一个合适的网格尺度， 同 时要注意最大单元与最小单元之 间的差距不能太大。 2 如 没考虑 型钢 与混 凝 土， 钢 筋 与混凝 土之 间 的粘 结滑移 ， 则应该 采用共用 节点 ， 来 实现位移 协 调。如果为避免加载时 出现应力 集 中， 造 成局部受 压 破坏 ， 可在加载点处设置钢 垫板 ， 也通过共 用节点 ， 使 钢垫块 节点与相应 的混凝土节点位移 协调。 6结语 1 钢骨超高强混凝土数值模拟可以辅助试 验 。在试验进行之前 ， 通过模拟 ， 了解到可能发生破 坏 情况及部位。如果试验控 制参数很 多 ， 会 花费很 多人 力物力 ， 如果采用数值模拟 ， 对某些参数控制情况下计 算 ， 与试验值 内插 ， 更加经济 。 2 在模拟时需要注意正确设置参数， 合理划 分网格、 正确建立模型以及选取适当的收敛准则和加 载步 ， 可以得到很好的模拟结果 。 参考文献 [ 1 ] 过镇海． 钢筋混凝土原理和分析[ M ] ． 北京 清华大学出版社， 2 0 0 3． [ 2 ] 江见鲸 ， 陆新征 ， 叶列平． 混凝土结构有 限元分析[ M]．北京 清华大学 出版社 。 2 0 0 5 ． [ 3 ] 江见鲸， 何放龙， 何益斌， 陆新征． 有限元法及其应用[ M] ． 北 京 机械 工业 出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 收稿 日期】 2 0 1 0 0 5 0 6 [ 作者简介】 郭宇 1 9 8 4一 ， 女 ， 哈尔滨 人， 硕士研究生 ， 从 事钢骨超高强混凝土抗震性能模拟和试验研究。