鋼筋混凝土T型節(jié)點(diǎn)位移極限仿真研究
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摘要：在各種載荷工況下，對鋼筋混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行受力分析比較困難。為此，對梁柱節(jié)點(diǎn)的靜力學(xué)特性進(jìn)行了仿真分析。采用有限元對梁柱節(jié)點(diǎn)的整體進(jìn)行了靜力學(xué)分析和簡化；利用ANSYS分析軟件，依據(jù)有限元理論對實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行了合理的力學(xué)簡化；通過建模、材料屬性、約束、加載等程序，利用APDL語言編程，對梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了載荷受力仿真分析，分析了整體結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力分布，并對其仿真模擬值進(jìn)行了驗(yàn)證。研究結(jié)果表明:變形與應(yīng)力仿真模擬值與ANSYSInc.模擬值和實(shí)測值三者的吻合度非常高，表明此種模擬計(jì)算方法契合實(shí)際鋼筋混凝土節(jié)點(diǎn)，可靠性較高；該結(jié)果可以為此類構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土節(jié)點(diǎn)；ANSYS；有限元分析；極限位移實(shí)驗(yàn)
0引言
與傳統(tǒng)的現(xiàn)澆建造方式相比，裝配式結(jié)構(gòu)具有施工質(zhì)量好、全壽命消耗低等優(yōu)勢，被國際社會(huì)視為可持續(xù)發(fā)展的結(jié)構(gòu)[1]。然而，傳統(tǒng)裝配式建筑的整體性和抗震性能較差，節(jié)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)破壞的核心部位，承受梁和柱傳來的力，對建筑的整體結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性具有極其重要的作用[2]。目前對節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)性能仍有許多尚不明確的位置，由于實(shí)際實(shí)驗(yàn)需要花費(fèi)大量的人力物力，本文通過ANSYS有限元模擬節(jié)點(diǎn)的位移狀況，以期對節(jié)點(diǎn)的研究提供一種可借鑒參考的模擬方法[3-5]。本文針對T型梁柱節(jié)點(diǎn)連接在實(shí)驗(yàn)中的位移變形過程，利用ANSYS軟件，在SC平臺(tái)建立幾何模型并利用APDL輸入模型的材料參數(shù)，求出在實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的最大應(yīng)力和最大位移，同時(shí)校核整體結(jié)構(gòu)，對鋼筋混凝土T型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行仿真模擬研究[6]。
1實(shí)驗(yàn)過程
在實(shí)驗(yàn)的過程中，梁的上下面分別布設(shè)位移計(jì)；同時(shí)在鋼筋上設(shè)置位移計(jì)和應(yīng)變片。通過計(jì)算機(jī)采集應(yīng)變片上的數(shù)據(jù)（如圖1），模型的詳細(xì)布置如圖2所示。具體量測內(nèi)容和方法如下：1）由于軸向壓縮載荷的應(yīng)用，在節(jié)點(diǎn)區(qū)域產(chǎn)生的主拉應(yīng)力減小了，所以柱所受的軸向載荷對節(jié)點(diǎn)抗剪能力是有利的。梁右側(cè)的自由端通過液壓千斤頂加載來施加豎向位移；液壓加載系統(tǒng)可以測得千斤頂?shù)募虞d值，位移計(jì)可以測量梁自由端的位移。2）柱頂軸力通過液壓千斤頂施加，施加的荷載通過其上的應(yīng)變片全過程監(jiān)測。開始對柱頂施加軸力到9480N時(shí)，保持荷載恒定。然后在右側(cè)梁端施加沿Y負(fù)方向的位移，當(dāng)加載至梁端位移為-8.0mm左右時(shí)，開始出現(xiàn)明顯下彎段，試件達(dá)到屈服，記錄此時(shí)梁端荷載和屈服位移Δy；繼續(xù)施加位移，梁的左右側(cè)面及底面逐漸出現(xiàn)因混凝土破壞而露出的箍筋和下部的縱筋。出現(xiàn)這種情況就可以大致說明梁已經(jīng)喪失了其相應(yīng)的承載力[7]。
2材料選擇及其屬性
材料選擇非線性材料中的鋼筋及普通材料中的混凝土；鋼筋的彈性模量為190GPa，屈服強(qiáng)度為470MPa，切線模量為1000MPa?；炷恋母鲄?shù)如表1所示，并以APDL語言輸入。
2.1網(wǎng)格劃分
將Programorder中的programcontrol設(shè)置為lenear，將尺寸大小Size設(shè)置為25mm，在Mesh中插入一個(gè)method，并將方法選擇為multizone，再在Mesh中插入一個(gè)Size，選中所有的199條邊，將尺寸同樣設(shè)置為25mm，生成10174個(gè)節(jié)點(diǎn)和6824個(gè)單元。這時(shí)網(wǎng)格的平均質(zhì)量為1，滿足網(wǎng)格劃分的精度要求，如圖4所示。
2.2模型簡化及約束條件設(shè)置
由于模型是對稱結(jié)構(gòu)，故在模擬時(shí)沿圖中所示平面取一半的結(jié)構(gòu)分析即可，如圖5所示。模擬的總時(shí)間為2s，在柱的上端和下端分別施加約束，使構(gòu)件在X方向上的位移為0，0~1s在柱子的上端沿Y方向逐漸施加由0N至-9480N的荷載，1~2s內(nèi)使豎向荷載維持恒定。在柱的下端施加約束，在模擬時(shí)間段內(nèi)使構(gòu)件在Y方向上的位移為0。在1~2s時(shí)間段內(nèi)，在梁端施加由0至-80mm的豎向位移。在該模擬中時(shí)間也可以等同視為步驟，對模擬結(jié)果并沒有影響。
2.3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
1）模型的總變形的云圖如圖6所示，其中梁端在1~2s時(shí)間段內(nèi)發(fā)生最大的位移為89.112mm，柱的下端為最小位移0.296mm，柱的中部產(chǎn)生了5mm左右的位移。2）模型的鋼筋等效塑性應(yīng)變云圖如圖7所示。屈服準(zhǔn)則選用VonMises屈服準(zhǔn)則，梁的上部鋼筋在1.1s左右時(shí)發(fā)生了屈服，在1.5s時(shí)塑性應(yīng)變達(dá)到0.045，而后等效的塑性應(yīng)變不再增長，表明構(gòu)件發(fā)生了破壞。3）模型的鋼筋等效應(yīng)力云圖如圖8所示。在1.1s時(shí)應(yīng)力急劇上升到500MPa，表明鋼筋開始屈服，隨后又平穩(wěn)上升到約600MPa，此階段為強(qiáng)化階段，在1.5s后，應(yīng)力呈現(xiàn)下降，表明構(gòu)件已經(jīng)喪失了承載力。4）選擇analysissetting后插入probe，在該模塊中選擇Forcereaction，并選擇對象為梁端的下邊緣線。模型在梁端的位移和受力關(guān)系圖是通過選中Forcereaction和Directionaldeformation后插入Chart生成，由于研究對象選取的是對稱結(jié)構(gòu)，且考慮到坐標(biāo)軸的方向，則需要對結(jié)果乘以系數(shù)-2加以修正，結(jié)果如圖9所示。
3對比結(jié)果
從對比結(jié)果（如圖10）可以看出，本文仿真模擬值與ANSYSInc[9]的模擬值和與相關(guān)實(shí)驗(yàn)的實(shí)測值偏差僅為6%左右。模擬與實(shí)測值的偏差并不大，說明該建模的幾何模型、約束的簡化及加載過程都符合鋼筋混凝土T型節(jié)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)的實(shí)際情況。同時(shí)也可以確定本文的模擬仿真方法精確度比較高，但在彈性階段實(shí)測值小于模擬值，存在的原因主要是以下兩個(gè)方面：1）在Workbench仿真平臺(tái)中的模擬所采用的鋼筋和混凝土都是理論的截面大小，實(shí)際模型中的材料尺寸和相關(guān)參數(shù)都存在著一定的偏差[8]；2）鋼筋混凝土T型節(jié)點(diǎn)接頭處存在焊接連接，Workbench仿真平臺(tái)中的連接大都采用固定連接，不同的連接方式會(huì)導(dǎo)致仿真模擬值與實(shí)驗(yàn)的實(shí)測值中的結(jié)果差異。而有限元模擬結(jié)果中，當(dāng)擴(kuò)張寬度為300～390μm時(shí)，縫合線拉力范圍為43.5～57.3mN，分布于實(shí)驗(yàn)結(jié)果范圍內(nèi)。因此通過參考擴(kuò)張寬度結(jié)合拉力-擴(kuò)張寬度關(guān)系可以給出縫合線拉力的對應(yīng)范圍，獲取量化的拉力值。
4結(jié)論
本文針對當(dāng)前無法直接測量縫合線拉力的問題，應(yīng)用有限元法模擬了CP中縫合線擴(kuò)張SC和TM的過程，求解了縫合線拉力與組織擴(kuò)張寬度的量化關(guān)系。建立了實(shí)時(shí)縫合線拉力測量平臺(tái)，在豬眼組織中完成了縫合線擴(kuò)張操作，測量縫合線上實(shí)時(shí)張緊力與組織擴(kuò)張的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，獲得拉力-擴(kuò)張寬度曲線，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果呈現(xiàn)相同趨勢。該量化關(guān)系，可預(yù)測相應(yīng)拉力下組織擴(kuò)張情況，縮短醫(yī)生學(xué)習(xí)曲線，提高手術(shù)精準(zhǔn)性。
作者:胡金輝 孫穎娜 張麗娜 申智鵬 李贊 王寧 龐傲璇 單位:黑龍江大學(xué)