基于三维实体预应力筋单元的折线配筋先张梁非线性有限元分析

基于三维实体预应力筋单元的折线配筋先张梁非线性有限元分析

0结构的本构模型预弯钢筋混凝土的先张力采用适当的张力法，解决了先张梁长度小的问题。这是一种具有先张法和后张法结构优势的新型结构。该结构预应力筋折点部位局部应力状态是其特有力学性能的表征;预应力筋折点半径R是影响其局部应力状态的首要因素。而除此之外,其他结构、材料参数的变化也会对折点局部应力状态产生相应影响。为了深入研究折线配筋先张梁的力学性能,本文探讨了折点弯折角度α、预应力筋布置间距D、混凝土强度等级等参数变化对先张梁折点局部应力状态产生的影响。1单元模型建立基于前期研究成果,对配制曲线预应力筋的混凝土结构进行局部应力分析时,若曲线预应力筋采用常规线形单元模拟,会由于横向上线性单元与三维实体单元耦合而导致一种天然的应力集中现象,产生横向单元划分尺度对局部应力分析结果产生较大影响的问题。为从构造上消除这种应力集中现象,需要选用三维实体单元对曲线预应力筋进行模拟。本文以Ansys有限元分析软件为工具,采用分离式模型,以SOLID65单元模拟混凝土,LINK8单元模拟普通钢筋,SOLID45单元模拟折线预应力筋,运用切分法,建立了基于三维实体预应力筋单元的折线配筋先张梁非线性有限元分析模型[10,11,12,13,14,15]。建模时所采用的先张梁为B×H×L=300mm×400mm×5700mm的简支梁,计算跨径l0=5400mm;配有3根标准强度fpk=1860MPa的ue788s15.2(1×7)高强低松驰钢铰线,钢铰线间横向间距根据研究内容采用40~100mm;钢铰线在l0/3处向上弯起,弯折角度根据研究内容采用4.98°~14.93°;基于前期研究成果,折点半径采用优化选定的最优半径R=600mm。普通钢筋均为HRB335钢筋,混凝土材料根据研究内容分别采用C40~C80水泥混凝土。混凝土与钢筋材料采用非线性本构关系,对混凝土SOLID65单元打开拉裂设置关闭压碎设置。为保证分析的准确,单元划分基准为:沿跨度纵向折点部位200mm范围内按长度10mm等长划分,其他部位按长度50mm等长划分;沿截面横向按长度25mm等长划分。沿竖向方向,折线预应力筋与上部普通纵向筋之间混凝土采用按份数划分,划分为7份,分段间隔比率为8,下密上疏以保证关键局部部位采用较密的单元网格;折线预应力筋与下部普通纵向筋之间混凝土采用按份数划分,划分为5等份。荷载考虑重力荷载与预应力荷载,分两个荷载步施加。先张梁结构示意图如图1所示,建立的有限元模型如图2所示;材料参数参考《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD62—2004)进行选取。2折扣角变化对局部电压状态的影响2.1截面高度的影响通过对中华人民共和国交通行业《公路桥梁通用图》中各类梁结构的统计可知,预制结构中预应力筋常用弯折角度α在4°~10°范围之内;考虑到工程实际的多样性与复杂性,分析时选用折角范围为4°~15°。当然,α较大时,为保证结构的合理性,建模时采用的矩形截面梁截面高度应相应增加;相应的,为保证计算结果的可比性,截面高度增加时模型竖向单元划分也应做相应调整。为分析α变化对折点处应力分布的影响规律,沿预应力筋所在纵向截面分别选取折点处,及折点前、后各6个受压混凝土单元节点为特征点,选取特征点竖直向上(Y向)正应力σy为特征应力,分析当α变化时σy的大小及分布趋势的变化情况,并将结果绘制成图3所示。由图3分析可知:(1)随α的增加,折点处最大应力σymax略有增加,但当α接近10°以后,σymax基本上保持不变;总体而言,α的变化对于折点处σymax的影响较小。(2)随α的增加,折点附近应力分布状态曲线逐渐平坦,折点处应力集中状态得到了一定的缓和。2.2较大时,各测定各折点处曲线段长度比较基于前期研究成果可知,折点部位应力集中产生的影响范围基本上与预应力筋折点处曲线长度一致。当α较小时,其竖向分力较小,同时其折点处曲线段长度也较短;而当α较大时,其竖向分力较大,同时其折点处曲线段长度也较长;故而α变化时对于折点处σymax影响较小。但相应的,由于α较小导致其折点处曲线线段长度较短,应力集中影响范围较小,所以其折点处应力分布集中状态较为明显;随着α的增大,其折点处曲线段增长,应力集中影响范围变大,其折点处应力分布集中状态得到缓和。3混凝土强度的变化对局部电压状态的影响3.1折线配筋应力场选取典型结构,固定α=7.31°,D=100mm,改变混凝土材料本构关系,分别计算当采用C40~C80混凝土时,折线配筋先张梁局部应力分布状态及其变化规律,并将结果绘成图4所示。由图4分析可知:当混凝土强度等级变化时,折点处最大应力σymax及折点处应力分布趋势基本上都没有什么变化;也就是说混凝土强度等级变化对于折点处应力状态影响较小。3.2混凝土强度等级的影响当折点半径采用优化后的最优折点半径R=600mm时,先张梁折点处局部应力状态已经得到较大改善,折点处局部应力已处于较低的应力水平;而对于混凝土,不同强度等级的混凝土其本构关系区别在于应力水平较高的情况,当应力水平较低时,其本构关系差别并不大。所以,此时混凝土强度等级变化对于折点处应力分布状态影响较小。当然,如果折点半径较小,折点处应力状态未得到改善的话,混凝土强度等级的变化对其应力分布状态影响还是较大的。4预测钢筋距离d的变化对局部应力状态的影响4.1节点的应力分布曲线分布选取典型结构,选定材料参数,固定α=7.31°,改变预应力筋间距D,分析当D变化时对折线配筋先张梁局部应力分布状态产生的影响,结果如图5所示。由图5分析可知:(1)随着D的减小,折点处σymax有逐渐变大的趋势,但影响不大。(2)随着D的减小,虽然折点处应力分布曲线形状没有太大变化,但其所有节点的应力都有一定幅度的增加。所以,D的变化虽然对折点处应力分布状态影响不大,但所有节点的应力都有增大的趋势,原因在于不同预应力筋作用之间相互影响加强的缘故。因此,在D较小时,还应该从横向上来具体分析其应力分布之间可能产生的叠加效应。4.2d对预应力钢筋间距的影响分析为进一步明确预应力间距D的变化对先张梁折点部位应力分布状态的影响,选取D=40mm与D=60mm的两种典型先张梁结构,截取先张梁曲线筋折点部位上部混凝土为对象,绘制折点所在横截面σy的三维分布曲面图(见图6)进行分析。由图6分析可知:(1)随着D的减小,预应力筋之间的相互影响逐渐加强,其折点局部应力都有增大的趋势。(2)当D=60mm时,其应力集中横向影响范围就已经相互叠加;D=40mm时,叠加范围与效应更加明显;其在增大折点局部应力的同时,也使折点部位整个范围内应力分布更加复杂,应力水平保持在一个相对较高的水平,使得折点局部应力状态处于一个不利状态。所以,为减小预应力筋之间的相互干扰,避免不同预应力筋之间应力集中影响范围的相互叠加,应该对预应力钢筋之间的布置间距进行限定。根据对上述计算结果的分析认为:对于折线配筋先张梁,其预应力筋之间的横向间距D≥60mm,这相比目前规范上的相关规定有所提高。5弯折角度d的影响通过以上分析,得出各结构、材料参数变化时对折线配筋先张梁折点局部应力状态影响规律如下:(1)折点弯折角度α变化时,对于折点处竖向最大应力σymax影响较小;但当弯折角度α增加时,其应力集中状态将得到一定的缓和。(2)对于采用优化半径的先张梁,由于其应力状态已得到改