基于ANSYS的Z形截面钢筋混凝土柱受剪性能研究

杨斌博 李佰寿

0 引言

近些年来,异形柱结构在高层建筑当中的应用越来越广泛。在《混凝土异形柱结构技术规程》当中,定义异形柱为:截面几何形状为L形、T形和十字形,且截面各肢的肢高肢厚比不大于4的柱子[1]。在实际工程当中,为了满足建筑功能上的需要,Z形柱已经被设计人员广泛采用,它经常被用作轴线发生偏移时的转换柱。由于混凝土异形柱规范当中并没有对Z形柱的说明,使设计人员在设计当中没有了科学的参考依据。目前,在国内外对Z形柱的性能研究甚少,对Z形柱的仿真研究也非常有限,本文旨在通过对Z形柱在不同轴压比条件下的非线性有限元分析,来模拟Z形柱的受剪承载力的特点。

1 试件模型介绍

为了研究Z形柱在轴心受压情况下,柱子正常使用的极限抗剪承载能力,本文建立了5个具有相同截面尺寸,不同轴压比的有限元模型,对其进行抗剪承载力的非线性有限元模拟。柱子的截面形式见图1。

本文的模拟数据来源于文献[2],混凝土立方体抗压强度为32.4 MPa,钢材型号为 Q235。纵向钢筋和水平箍筋均为HPB235。将高为800 mm的Z形截面异形柱,依据试件轴压比:0.15,0.20,0.25,0.30和 0.35依次编号为Z15,Z20,Z25,Z30和Z35。试件参数及主要结果见表1。

表1 试件参数及主要结果

2 有限元模型的建立

2.1 单元本构关系及破坏准则

本构关系是反映结构受力过程中应力与应变之间的关系,是结构变形和计算中必不可少的依据。钢筋的本构模型,本文采用理想弹塑性模型见图2。混凝土采用文献[4]提供的轴向受压本构模型见图3。

在对钢筋混凝土Z形柱模拟过程中,钢筋采用线弹性模型(Linear elastic)和双线性弹性材料(BKIN)模型[3]。混凝土采用参考文献[4]所定义的本构模型计算,采用了ANSYS程序自带的Winam-Wamke五参数破坏准则;多线性等向强化模型(M150)。这种破坏准则能较好的预测混凝土材料的破坏,为了计算时更容易收敛关闭压碎开关。

2.2 单元模型的选用

为了简化Z形钢筋混凝土柱的轴心压力和水平压力的受力情况,采用了分离式模型,把混凝土和钢筋作为不同的单元来处理,即混凝土和钢筋粘结滑移的影响。考虑到钢筋是一种细长材料,通常可忽略其横向抗剪强度,因此,采用Link8单元来模拟钢筋,即将钢筋作为线形单元来处理。混凝土选用Solid65单元,它是ANSYS中专门用来定义混凝土的单元类型。

3 ANSYS模型的建立及加载求解

3.1 构件模型的建立

ANSYS分析建立模型见图4。柱高800 mm,截面尺寸如图1所示。

3.2 加载求解

ANSYS模拟时,参照文献[2]的试验方式,对柱子底端施加水平和高度方向的三个约束,对柱顶加轴向荷载,同时对柱身模拟反弯点处施加水平荷载。

ANSYS求解时,采用大变形静态分析,分为200个子步,采用自动时间步长,每次最大迭代次数是50,求解器选用稀疏矩阵法的非线性方法,以力作为收敛准则,选择输出每一步的结果,打开自动时间步长以加速收敛。

4 ANSYS计算结果分析

4.1 轴压比对水平抗剪承载力的影响

通过对5个不同轴压比,相同截面尺寸Z形柱的模拟分析,得出以下数据(见表2)。

表2 试验数据

通过表2可以看出轴压比的增大,对水平抗剪承载力有显著的提高。这是因为轴压比能延缓和限制斜裂缝的出现和发展,改善骨料咬合作用,增大了混凝土的剪压区高度,使混凝土不易被压碎,并提高了纵筋的销栓作用[2]。

从模拟值与试验极限承载力对比来看,两个值相差比较大。这是因为在模拟过程中,当水平荷载加大到一定程度时,受压区混凝土已经发生剪切破坏而失效,而钢筋并没有完全屈服,从规范当中,混凝土结构正常使用极限状态的角度来讲,此时已经达到了正常使用状态下的极限抗剪承载力。而试验值是在钢筋完全屈服破坏以后的极限承载力,所以两个数值有一定的差距。

4.2 轴压比对破坏形态的影响

通过图5,图6对比可以看出:在其他条件相同的情况下,随着轴压比的增大,试件斜裂缝与水平方向的锐角夹角逐渐减小,而在Z形截面的腹板上,斜裂缝的主拉应力与水平方向的夹角逐渐增加。可以看出,两个云图很好地反映了斜裂缝的开展方向。

4.3 承载力公式的计算比较

文献[2]通过对试验结果的回归分析得出抗剪承载力的计算公式为:

文献[6]通过对Z形柱低周反复荷载试验研究得出建议计算公式为:

表3 试验数据分析

通过表3,将ANSYS模拟出的抗剪承载力值与上述两公式计算得出的抗剪承载力值进行比较,相差较小,由此可以看出,ANSYS对Z形截面柱的模拟具有一定的可取性。

5 结语

1)通过运用ANSYS有限元分析软件,对Z形截面钢筋混凝土柱进行模拟分析,能够很好的模拟出Z形截面柱的受力特性、变形特征。

2)将模拟得到的抗剪承载力计算值与理论值相比较,较为吻合,说明利用ANSYS来模拟Z形钢筋混凝土柱是可行、可靠的。

3)在对Z形截面建模分析过程当中,发现合理的划分网格,正确的设置参数以及约束条件,对ANSYS模拟成功与否,有很重要的影响。

4)目前,有关Z形截面异形柱的研究还不够完善,承载力公式的提出、不同条件下柱承载力的横向比较等都需要进一步的研究。

[1] JGJ 149-2006,混凝土异形柱结构技术规程[S].

[2] 毛晓飞,杨俊杰.不同轴压比条件下Z形截面混凝土柱受剪性能试验研究[J].浙江工业大学学报,2009,37(2):221-225.

[3] 尚小红,邱 峰.ANSYS结构有限元高级分析方法与范例应用[M].北京:中国水利水电出版社,2006:36.

[4] 李 围.ANSYS土木工程应用实例[M].北京:中国水利水电出版社,2005:28.

[5] 曹万林,王光远.异形柱框架柱单元的非线性变形计算方法[J].计算力学学报,1997,14(4):435-442.

[6] 李 杰,吴建营,周德源,等.L形和Z形宽肢异形柱低周反复荷载试验研究[J].建筑结构学报,2002,23(1):9-15.