环形槽应力释放法中应力零点槽深数值计算

贾巧燕 穆新盈

0 引言

预应力混凝土构件中的有效预应力是一个不确定的参数,尤其是在在役混凝土结构中。它控制着预应力混凝土构件裂缝的形成、开展以及挠度的大小,甚至承载力。因此,对结构进行有效预应力的准确预测在性能评定中尤为重要。

1 环形槽应力释放法

应力释放法最早应用在测量结构构件的残余应力,通过测量构件分割前后的位移和应变,再经换算成应力。应力释放法广泛应用于金属材料特别是钢材残余应力的测试方面,目前正在逐步引入混凝土等材料的应力测试上。其原理是对有初始约束应力的测试构件,采用机械切割的方法使约束产生的应力被释放,测试方法有钻孔法,盲孔法,开槽法等。

刘永淼在环孔法测试素混凝土柱工作应力试验中,得出了给定孔径下应力零点的孔深。本文应用ANSYS有限元程序,编写命令流,以梁跨中底部中心为测点,切割具有一定直径和壁厚的环形槽,模拟测点轴向应力随槽深不断加深的释放过程,进而计算出测点出现零应力的最佳槽深,探讨应力零点槽深的影响因素,并试着给出应力零点槽深计算公式。

2 有限元前处理

2.1 本文结构模型

本文结构模型均为矩形截面预应力混凝土简支梁,分别为直线力筋和曲线力筋,力筋两端张拉。模型具体尺寸见图1。

2.2 材料参数

本文预应力混凝土简支梁中,混凝土弹性模量35 GPa,容重25000 N/m3,泊松比0.2,力筋弹性模量195 GPa,泊松比 0.3,面积140mm2。

2.3 结构建模方法及局部网格

根据有限元程序中单元的特性,本文采用Solid95单元和Link8单元分别模拟混凝土和力筋,直线力筋梁采用实体分割法建模,曲线力筋梁采用独立建模耦合法建模,同时利用ANSYS中生死单元这一高级选项模拟切割过程。

3 应力零点槽深计算

文中分别模拟计算相同槽宽 t不同环形槽内径d和不同预加力Ny两种情形下测点轴向应力在切割过程中的变化情况,提取并记录不同切割深度时测点处轴向应力,并绘制σ—h/d曲线图,见图2,图3(在ANSYS中应力符号规定:压应力为负,拉应力为正)。

3.1 直线力筋梁应力零点槽深计算

1)d=6cm,t=1cm,Ny=50 kN,100 kN,150 kN;

2)Ny=50 kN,t=1cm,d=6cm,9cm,12cm。

3.2 曲线力筋梁应力零点槽深计算

1)d=3cm,t=1cm,Ny=50 kN,80 kN,110 kN;

2)Ny=50 kN,t=1cm,d=3cm,4cm,5cm。

4 结语

通过模拟计算直线和曲线力筋梁测点处轴向应力在切割过程中的变化情况,可以看出以上曲线的变化趋势相同:随着h/d的不断增加,即切割深度变大,测点处轴向应力由压应力逐渐变为拉应力,中间出现应力零点,并且从中可以得出以下结论:

1)d确定后,不论Ny取何值,测点处轴向应力的释放速度基本是相同的,都是在同一槽深处出现应力零点。2)d的大小直接影响测点处应力释放速度。d越小,释放速度越快,d变大则会延迟应力零点的出现。3)应力完全释放时所需要的槽深 h计算公式为h≈(0.31～0.32)d。希望对实际工程检测起到一定的指导意义。

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