基于三維實體預應力筋單元的折線配筋先張梁非線性有限元分析

0結構的本構模型預彎鋼筋混凝土的先張力采用適當?shù)膹埩Ψ?，解決了先張梁長度小的問題。這是一種具有先張法和后張法結構優(yōu)勢的新型結構。該結構預應力筋折點部位局部應力狀態(tài)是其特有力學性能的表征;預應力筋折點半徑R是影響其局部應力狀態(tài)的首要因素。而除此之外,其他結構、材料參數(shù)的變化也會對折點局部應力狀態(tài)產(chǎn)生相應影響。為了深入研究折線配筋先張梁的力學性能,本文探討了折點彎折角度α、預應力筋布置間距D、混凝土強度等級等參數(shù)變化對先張梁折點局部應力狀態(tài)產(chǎn)生的影響。1單元模型建立基于前期研究成果,對配制曲線預應力筋的混凝土結構進行局部應力分析時,若曲線預應力筋采用常規(guī)線形單元模擬,會由于橫向上線性單元與三維實體單元耦合而導致一種天然的應力集中現(xiàn)象,產(chǎn)生橫向單元劃分尺度對局部應力分析結果產(chǎn)生較大影響的問題。為從構造上消除這種應力集中現(xiàn)象,需要選用三維實體單元對曲線預應力筋進行模擬。本文以Ansys有限元分析軟件為工具,采用分離式模型,以SOLID65單元模擬混凝土,LINK8單元模擬普通鋼筋,SOLID45單元模擬折線預應力筋,運用切分法,建立了基于三維實體預應力筋單元的折線配筋先張梁非線性有限元分析模型[10,11,12,13,14,15]。建模時所采用的先張梁為B×H×L=300mm×400mm×5700mm的簡支梁,計算跨徑l0=5400mm;配有3根標準強度fpk=1860MPa的ue788s15.2(1×7)高強低松馳鋼鉸線,鋼鉸線間橫向間距根據(jù)研究內容采用40~100mm;鋼鉸線在l0/3處向上彎起,彎折角度根據(jù)研究內容采用4.98°~14.93°;基于前期研究成果,折點半徑采用優(yōu)化選定的最優(yōu)半徑R=600mm。普通鋼筋均為HRB335鋼筋,混凝土材料根據(jù)研究內容分別采用C40~C80水泥混凝土?；炷僚c鋼筋材料采用非線性本構關系,對混凝土SOLID65單元打開拉裂設置關閉壓碎設置。為保證分析的準確,單元劃分基準為:沿跨度縱向折點部位200mm范圍內按長度10mm等長劃分,其他部位按長度50mm等長劃分;沿截面橫向按長度25mm等長劃分。沿豎向方向,折線預應力筋與上部普通縱向筋之間混凝土采用按份數(shù)劃分,劃分為7份,分段間隔比率為8,下密上疏以保證關鍵局部部位采用較密的單元網(wǎng)格;折線預應力筋與下部普通縱向筋之間混凝土采用按份數(shù)劃分,劃分為5等份。荷載考慮重力荷載與預應力荷載,分兩個荷載步施加。先張梁結構示意圖如圖1所示,建立的有限元模型如圖2所示;材料參數(shù)參考《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》(JTGD62—2004)進行選取。2折扣角變化對局部電壓狀態(tài)的影響2.1截面高度的影響通過對中華人民共和國交通行業(yè)《公路橋梁通用圖》中各類梁結構的統(tǒng)計可知,預制結構中預應力筋常用彎折角度α在4°~10°范圍之內;考慮到工程實際的多樣性與復雜性,分析時選用折角范圍為4°~15°。當然,α較大時,為保證結構的合理性,建模時采用的矩形截面梁截面高度應相應增加;相應的,為保證計算結果的可比性,截面高度增加時模型豎向單元劃分也應做相應調整。為分析α變化對折點處應力分布的影響規(guī)律,沿預應力筋所在縱向截面分別選取折點處,及折點前、后各6個受壓混凝土單元節(jié)點為特征點,選取特征點豎直向上(Y向)正應力σy為特征應力,分析當α變化時σy的大小及分布趨勢的變化情況,并將結果繪制成圖3所示。由圖3分析可知:(1)隨α的增加,折點處最大應力σymax略有增加,但當α接近10°以后,σymax基本上保持不變;總體而言,α的變化對于折點處σymax的影響較小。(2)隨α的增加,折點附近應力分布狀態(tài)曲線逐漸平坦,折點處應力集中狀態(tài)得到了一定的緩和。2.2較大時,各測定各折點處曲線段長度比較基于前期研究成果可知,折點部位應力集中產(chǎn)生的影響范圍基本上與預應力筋折點處曲線長度一致。當α較小時,其豎向分力較小,同時其折點處曲線段長度也較短;而當α較大時,其豎向分力較大,同時其折點處曲線段長度也較長;故而α變化時對于折點處σymax影響較小。但相應的,由于α較小導致其折點處曲線線段長度較短,應力集中影響范圍較小,所以其折點處應力分布集中狀態(tài)較為明顯;隨著α的增大,其折點處曲線段增長,應力集中影響范圍變大,其折點處應力分布集中狀態(tài)得到緩和。3混凝土強度的變化對局部電壓狀態(tài)的影響3.1折線配筋應力場選取典型結構,固定α=7.31°,D=100mm,改變混凝土材料本構關系,分別計算當采用C40~C80混凝土時,折線配筋先張梁局部應力分布狀態(tài)及其變化規(guī)律,并將結果繪成圖4所示。由圖4分析可知:當混凝土強度等級變化時,折點處最大應力σymax及折點處應力分布趨勢基本上都沒有什么變化;也就是說混凝土強度等級變化對于折點處應力狀態(tài)影響較小。3.2混凝土強度等級的影響當折點半徑采用優(yōu)化后的最優(yōu)折點半徑R=600mm時,先張梁折點處局部應力狀態(tài)已經(jīng)得到較大改善,折點處局部應力已處于較低的應力水平;而對于混凝土,不同強度等級的混凝土其本構關系區(qū)別在于應力水平較高的情況,當應力水平較低時,其本構關系差別并不大。所以,此時混凝土強度等級變化對于折點處應力分布狀態(tài)影響較小。當然,如果折點半徑較小,折點處應力狀態(tài)未得到改善的話,混凝土強度等級的變化對其應力分布狀態(tài)影響還是較大的。4預測鋼筋距離d的變化對局部應力狀態(tài)的影響4.1節(jié)點的應力分布曲線分布選取典型結構,選定材料參數(shù),固定α=7.31°,改變預應力筋間距D,分析當D變化時對折線配筋先張梁局部應力分布狀態(tài)產(chǎn)生的影響,結果如圖5所示。由圖5分析可知:(1)隨著D的減小,折點處σymax有逐漸變大的趨勢,但影響不大。(2)隨著D的減小,雖然折點處應力分布曲線形狀沒有太大變化,但其所有節(jié)點的應力都有一定幅度的增加。所以,D的變化雖然對折點處應力分布狀態(tài)影響不大,但所有節(jié)點的應力都有增大的趨勢,原因在于不同預應力筋作用之間相互影響加強的緣故。因此,在D較小時,還應該從橫向上來具體分析其應力分布之間可能產(chǎn)生的疊加效應。4.2d對預應力鋼筋間距的影響分析為進一步明確預應力間距D的變化對先張梁折點部位應力分布狀態(tài)的影響,選取D=40mm與D=60mm的兩種典型先張梁結構,截取先張梁曲線筋折點部位上部混凝土為對象,繪制折點所在橫截面σy的三維分布曲面圖(見圖6)進行分析。由圖6分析可知:(1)隨著D的減小,預應力筋之間的相互影響逐漸加強,其折點局部應力都有增大的趨勢。(2)當D=60mm時,其應力集中橫向影響范圍就已經(jīng)相互疊加;D=40mm時,疊加范圍與效應更加明顯;其在增大折點局部應力的同時,也使折點部位整個范圍內應力分布更加復雜,應力水平保持在一個相對較高的水平,使得折點局部應力狀態(tài)處于一個不利狀態(tài)。所以,為減小預應力筋之間的相互干擾,避免不同預應力筋之間應力集中影響范圍的相互疊加,應該對預應力鋼筋之間的布置間距進行限定。根據(jù)對上述計算結果的分析認為:對于折線配筋先張梁,其預應力筋之間的橫向間距D≥60mm,這相比目前規(guī)范上的相關規(guī)定有所提高。5彎折角度d的影響通過以上分析,得出各結構、材料參數(shù)變化時對折線配筋先張梁折點局部應力狀態(tài)影響規(guī)律如下:(1)折點彎折角度α變化時,對于折點處豎向最大應力σymax影響較小;但當彎折角度α增加時,其應力集中狀態(tài)將得到一定的緩和。(2)對于采用優(yōu)化半徑的先張梁,由于其應力狀態(tài)已得到改