基于ABAQUS的型钢-泡沫混凝土界面抗剪性能研究*

刘殿忠 简振鹏 郝振鹏

(吉林建筑大学土木工程学院,长春 130118)

近年来,建立在现代数学与力学理论基础之上的数值模拟技术,通过综合计算机技术来获取工程要求的近似解,尤其在不同材料之间相互作用的结构工程领域中倍受关注.冷弯型钢与泡沫混凝土间的抗剪问题属于典型的非线性问题,本文利用通用有限元软件ABAQUS的强大非线性问题分析功能,对冷弯型钢与泡沫混凝土之间的界面抗剪强度问题进行数值模拟,探讨新型组合结构的界面抗剪性能,为下一步的试验研究工作做好准备.

1 有限元模型

1.1 模型尺寸

为研究型钢与泡沫混凝土界面的抗剪作用机理,采用冷弯薄壁型钢与不同密度的泡沫混凝土制作推出试件,模拟计算其界面的抗剪强度和粘结滑移性能.试件平面尺寸如图1所示:

图1 试件平面图

图2 试件立面图

试件中泡沫混凝土的尺寸为290mm×380mm,型钢选用Q235级薄壁C型钢:C160×70×20×2.5mm.对型钢腹板进行开孔处理增加与泡沫混混凝土作用的抗剪强度.开孔尺寸如图2立面图所示,开孔直径为50mm.在保证分析精度的情况下,由于构件结构的单轴对称性以及边界约束条件和荷载的对称性,为简化计算单元的数量,减少不必要的分析过程,本模型采用1/2模进行分析.

1.2 材料参数

模型中主要材料为型钢和混凝土,现将二者均定义为实体单元,材料参数如表1所示.模型假定如下:

(1) 在正常工作状态下,考虑型钢的弹塑性;

(2) 认定混凝土为非线性弹塑性材料,考虑混凝土的损伤;

(3) 在竖向荷载作用下,荷载通过型钢传给混凝土.

表1 材料参数

2 ABAQUS接触定义

2.1 接触

接触问题主要分为两种类型:“刚体—柔体的接触”和“柔体—柔体的接触”.一般情况下,一种软材料和一种硬材料接触时,问题可以被假定为刚体—柔体的接触.本模型采用接触面为刚体—柔体的接触,型钢与泡沫混凝土组合作用时,定义型钢接触表面为主面,即刚性面;定义泡沫混凝土接触表面为从面,即柔性面.

接触面间的作用方式为切向作用,ABAQUS中常用的摩擦模型为库伦摩擦,即使用摩擦系数来表示接触面间的摩擦特性.在受力作用之前,接触面处于粘合状态,当达到某一特定的剪应力数值时,表面开始滑动并产生力的传递.定义一个等效剪应力τ[1],在所受法向压应力达到某一数值p时,两接触面间产生相对位移

τ=μp+Δc

(1)

式中,μ为摩擦系数;Δc为初始粘聚力.

本文中忽略不同温度条件下对构件的影响,其中μ取0.46,忽略摩擦过程中的内能损失.对于初始粘结力Δc[1]根据以下公式取值

(2)

2.2 混凝土本构损伤模型

早在1958年，Kachanov提出用于研究金属徐变的损伤理论.所谓损伤,是指在各种加载条件下,材料内凝聚力随加载值的增大而不断减弱,并导致体积单元破坏的现象,是受力材料由于微裂纹或微孔洞缺陷的产生和发展而引起的逐步劣化.

本文中采用ABAQUS中的弹塑性断裂—损伤混凝土模型[2],其优势主要体现在:将损伤因子引入到模型中,不仅折减了混凝土的弹性刚度,同时更好地使混凝土的卸载刚度随损伤增加而降低.本模型为单轴受压的推出试件,由混凝土被压碎而破坏，其中,压缩等效应变起主要控制作用.

2.3 定义边界条件

该模型根据实际构件的受力形式,采取推出试件的加载方式.在固定模型底面(除型钢凹槽部位)的基础上对上部型钢进行方向为垂直向下的受力加载,保证泡沫混凝土底面不产生位移,型钢可随外荷载增加致使混凝土破坏而被推出.需要注意的是由于模型为原构件的1/2,在对称轴平面上要设置正对称约束.

2.4 单元类型

本模型中,泡沫混凝土单元采用C3D8R(8节点六面体减缩积分实体单元).减缩积分单元与完全积分单元相比在每个方向上都减少一个积分点,这样可缓解单元过于刚硬和计算挠度偏小的问题.

3 有限元分析结果

根据对3组不同密度(1 000kg/m3,1 200kg/m3,1 600kg/m3)的泡沫混凝土分别与型钢组合构件进行模拟,试件模型如图3所示.

在加载过程中,首先在试件中间的开孔处出现裂缝,随荷载增加裂缝向上下两侧逐渐发展,混凝土被破坏,型钢局部逐渐达到屈服状态.从有限元分析结果可以得出,泡沫混凝土的干表观密度对其本身强度和弹性模量有直接影响.在保证泡沫混凝土和型钢的尺寸、接触方式、影响因素不变的条件下,干表观密度越高,泡沫混凝土强度越高,该抗剪连接件的抗剪强度越高,以图1中的1-1截面为例,其泡沫混凝土等效塑性云图如图4所示,型钢的mises应力云图如图5所示.

图3 试件模型

图4 泡沫混凝土等效塑性云图

图5 塑钢mises应力等效塑性云图

图6 荷载位移曲线

加载结束后,荷载位移曲线如图6所示.曲线F1为密度1 600kg/m3的泡沫混凝土与型钢组合的构件；曲线F2为密度1 200kg/m3的泡沫混凝土与型钢构件；曲线F3为密度1 000kg/m3的泡沫混凝土与型钢构件.从图中可以看出,当荷载加到最大值的51%～65%时,试件处于弹性阶段,相对滑移量很小,同时荷载与位移呈线性关系增长；当荷载增加到最大值的90%～95%时,试件处于塑性阶段,泡沫混凝土出现裂缝并逐渐扩展,荷载与位移呈非线性关系增长；当荷载加到最大值时,荷载增幅较小,相对滑移量增幅较大.

4 结语

基于ABAQUS的接触分析功能对不同密度的泡沫混凝土推出试件进行了数值模拟.通过选择合理的单元类型,控制3种不同密度的泡沫混凝土材料可以得到较为理想的分析结论.实际的抗剪连接件除了在开孔处会形成泡沫混凝土栓钉,还要考虑型钢与泡沫混凝土间的粘结作用对试件抗剪强度的影响.相关问题还有待于进一步研究.

参 考 文 献

[1] 赵卫平.基于ANSYS接触分析的粘结一滑移数值模拟[J].建筑科学与工程学报,2011,28(2):44-51.

[2] 吴建营,李 杰.混凝土弹塑性损伤本构关系统一模型[J].建筑科学与工程学报,2005,22(4):15-21.

[3] E.K.Kunhanandan Nambiar,K.Ramamurthy.Models relating mixture composition to thedensity and strength of foam concrete using reponse surface methodology[J].Cement &Concrete Composites,2006(28):752-760.

[4] E.K.Kunhanandan Nambiar,K.Ramamurthy.Influence of filler type on the properties of foamconcrete[J].Cement &Concrete Composites,2006(28):475-480.