ANSYS在組合扁梁承載力性能研究中的應(yīng)用

2013-06-20  by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

本文采用有限元分析軟件ANSYS 研究了組合扁梁承載力的問題,分別建模計算了簡支組合扁梁、懸臂組合扁梁和框架組合扁梁的承載力,并且與足尺試驗結(jié)果進行了比較,吻合良好。

陳全 石永久 王元清 陳宏 張勇 來源:中華機械

關(guān)鍵字:ANSYS 塑性極限承載力 組合扁梁 有限元

鋼—混凝土組合梁的混凝土樓板擱置在鋼梁的上翼緣上,通過栓釘剪力連接件將鋼梁和混凝土樓面板連成整體而共同工作,混凝土樓板既承受豎向荷載,又作為組合梁的翼緣參與梁的受力,使梁由純鋼梁受彎狀態(tài)改變?yōu)榛炷潦軌汉弯摿菏芾瓲顟B(tài),從而達到了充分利用材料的目的。近年來,為了降低結(jié)構(gòu)的高度,又充分考慮樓蓋對梁剛度的加強作用,出現(xiàn)了將混凝土樓板放置在鋼梁的下翼緣上的組合扁梁,如圖1 所示。

組合扁梁樓蓋由鋼梁和預(yù)制鋼筋混凝土空心樓板組成,其中預(yù)制鋼筋混凝土樓板搭在鋼梁的下翼緣上。加配橫向鋼筋和鋼絲網(wǎng)是為了保證在扁梁達到強度極限狀態(tài)之前不發(fā)生混凝土板縱向剪切破壞,剪力連接件是保證剪力有效地傳遞及疊合板共同工作。

組合扁梁受力比較復(fù)雜,很難用解析方法求其精確解。本文采用有限元分析軟件ANSYS對簡支組合扁梁、懸臂組合扁梁和框架組合扁梁的承載力、剛度和延性等特征進行了研究,并與足尺試驗結(jié)果進行了比較,吻合良好。

    2 組合扁梁承載力分析方法

ANSYS 以比較完善的有限元理論為依據(jù),有強大的非線性分析功能,可以處理混凝土梁中配置鋼筋、混凝土的開裂和壓潰等復(fù)雜問題,用于進行試驗仿真分析非常方便。本文的有限元分析,主要用到ANSYS 提供的線單元和塊單元兩種類型:LINK8,SOLID45 和SOLID65。LINK8 單元模擬鋼筋的受力情況;SOLID45 單元模擬鋼梁的受力情況;SOLID65單元用于模擬混凝土模型。另外,對于組合扁梁,試驗表明鋼梁與混凝土之間的滑移可以忽略,所以鋼梁與混凝土之間連接可以采用共用節(jié)點以使其共同協(xié)調(diào)。

混凝土的抗拉強度非常低,在加載初期就要開裂,能否正確地模擬混凝土的開裂是計算結(jié)果是否精確的關(guān)鍵。本文采用單元死活來模擬混凝土的開裂,其基本思想:如果混凝土開裂,就假設(shè)其對結(jié)構(gòu)的剛度和承載力的貢獻可以忽略,在建模計算時,可以忽略這些單元。結(jié)構(gòu)分析的有限元模型的單元是不確定的,是動態(tài)的,受其受力狀態(tài)而改變的。在計算分析中,根據(jù)ANSYS 計算出來的應(yīng)力和應(yīng)變,把滿足開裂條件的單元殺死,讓其退出工作,然后按新的模型重新計算,如此反復(fù)迭代,直到相鄰兩次迭代結(jié)果相差在可接受的范圍內(nèi)即可停止計算。分析中,需要注意的是:對于節(jié)點,與其連接的所有活單元被殺死以后,該節(jié)點變成一個漂移的節(jié)點,具有浮動的自由度數(shù)值。在一些情況下,需要約束住這些不被激活的自由度以減少要求解方程的數(shù)目,并防止出現(xiàn)位置錯誤。但是,在重新激活與其相連的單元時要根據(jù)情況刪除這些人為施加的約束。另外,在查看結(jié)果時,盡管其對剛度矩陣的貢獻被忽略了,但由于殺死的單元仍在模型中,其結(jié)果仍包含在單元顯示和結(jié)果輸出列表中,在單元顯示和其它的后處理操作之前,需用選擇功能排除這些沒有被激活的單元以方便查詢處理。

    3 計算參數(shù)及計算模型

簡支、懸臂和兩端固支三種不同邊界條件的組合扁梁跨度分別為4000mm、4000mm 和1500mm,對其分別建立了ANSYS 有限元模型,并進行了計算分析。在有限元分析中,假定鋼材各向同性,彈性模量取188673.3MPa,泊松比取0.3,質(zhì)量密度取7850kg/m3。在材料非線性分析中,采用目前非線性分析中常用的Von Mises 等向強化準(zhǔn)則,鋼材本構(gòu)關(guān)系取雙直線模型,即初始彈性模量取188673.3MPa,進入塑性強化階段切線模量取750MPa,鋼材屈服強度取397.75MPa;鋼筋取理想彈塑性模型,初始彈性模量取2E5,進入塑性強化階段切線模量取0;BL1、BL2 和BL3 梁的混凝土的壓潰強度分別為37.7、47.2 和41.3MPa。以上數(shù)據(jù)均與試驗的標(biāo)準(zhǔn)試樣的測得數(shù)據(jù)相吻合。

所有的實體單元均為8 節(jié)點的長方塊,主要處于以下兩個原因:(1)單元的形狀過于奇異(如存在太大或太小的內(nèi)角等)會影響計算結(jié)果的精確度,采用映射網(wǎng)格,各個單元均為長方塊可以提高計算精度,以較少的單元獲得比較滿意的結(jié)果。(2)每個單元均為長方塊,便于分層,這樣模擬混凝土開裂的效果比較自由網(wǎng)格的三角形單元要好的多,也更接近實際情況。劃分好以后,采用“Merge”或“Glue”等命令把模型各部分連成空間的一個整體,保證單元之間的位移協(xié)調(diào)。對于試驗研究的組合扁梁在高度方向共分17 層,上下翼緣各分2 層,長度方向每100mm 分1 段。截面的單元劃分見圖3,建好的模型如圖4~圖6。加載采用位移加載方式,即在加載點施加足夠大的位移,直到構(gòu)件完全破壞,其約束條件的設(shè)置和試驗完全相同。計算時,對所施加的外荷載和特征點撓度進行跟蹤。

    4 數(shù)值模擬結(jié)果及與試驗結(jié)果的對比分析

組合扁梁的彈性承載力、極限承載力和撓度的試驗值,作為組合扁梁在綜合因素作用條件的實際情況的反映,體現(xiàn)了組合扁梁受力的實際性能,是最可靠的數(shù)據(jù),本節(jié)以此為依據(jù),將有限元分析結(jié)果與試驗結(jié)果進行了比較。

簡支梁全跨承受正彎矩,充分的利用了材料的特性。但在加載初期,處于中和軸以下的混凝土要開裂,退出工作,在ANSYS 進行有限元分析時是將這些不參與工作的混凝土單元殺死,最后剩下只有參與工作的混凝土單元,見圖7,其荷載-跨中撓度曲線見圖10。兩端支座固定梁在桿端負彎矩最大,跨中正彎矩最大,在整個梁跨度范圍內(nèi)彎矩要發(fā)生變號。

在加載初期,靠近支座中和軸以上和跨中中和軸以上的混凝土都要開裂,退出工作。ANSYS模擬的結(jié)果與實際情況十分接近,最后剩下只有參與工作的混凝土,見圖8。荷載-跨中撓度曲線見圖11。懸臂梁開裂后,剩下參與工作的混凝土見圖9,荷載-端部撓度曲線見圖12。

從以上3 根組合扁梁的荷載-撓度曲線可以清楚的看到:無論是彈性階段組合扁梁的剛度,還是組合扁梁塑性極限承載力,有限元分析的結(jié)果都足夠精確,與試驗結(jié)果吻合良好。這說明有限元分析方法是可靠的,可以用來分析其它類似的組合扁梁。

    5 主要結(jié)論

本文借助于有限元分析軟件ANSYS 對簡支、懸臂和兩端固支的組合扁梁的承載力性能進行了深入的分析,與試驗結(jié)果對比分析表明數(shù)值模擬結(jié)果足夠精確,所選用的數(shù)值模擬方法是正確有效的,可以用來分析其它類似的組合扁梁,同時也為對進一步研究影響組合扁梁受力性能的各個參數(shù)奠定了基礎(chǔ)。

    參考文獻

[1] 陳全,石永久,王元清,陳宏, 張勇. 帶組合扁梁多層輕型鋼框架結(jié)構(gòu)體系分析. 建筑結(jié)構(gòu). 2002.2
[2] ANSYS Theory Manual, Ansys5.5 Help System
[3] 陳惠發(fā). 土木工程材料的本構(gòu)方程. 華中科技出版社. 2001
[4] Quan Chen, Yongjiu Shi, Yuanqing Wang, Hong Chen, Yong Zhang. Loading Capacity Of Steel-Concrete Composite Slim Beam. Seventh International Symposium on Structural Engineering for Young Experts, Tianjin, China, August 28-31 2002

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