基于ANSYS的Z形截面钢筋混凝土柱受剪性能研究

2010-07-17杨斌博李佰寿

山西建筑 2010年17期

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。