格構(gòu)鋼筋在疊合板受力分析中的作用

格構(gòu)鋼筋在疊合板受力分析中的作用

重疊的房屋被廣泛應(yīng)用于歐洲和其他工業(yè)化國家。該結(jié)構(gòu)體案結(jié)構(gòu)簡單、方便快捷，對環(huán)境影響小，可以顯著提高住宅建筑工業(yè)水平。目前,我國引進了德國先進的帶格構(gòu)鋼筋的混凝土墻板、樓板等預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)工藝技術(shù)與生產(chǎn)線,并編制了相應(yīng)的規(guī)范。本文對鋼筋混凝土格構(gòu)鋼筋拼接疊合板試驗進行數(shù)值模擬,在驗證有限元模型可靠性的基礎(chǔ)上,對格構(gòu)鋼筋在樓板受彎過程中的作用進行分析,為疊合板式樓板在我國的應(yīng)用提供參考。1模型的構(gòu)建1.1不同加載條件下的受拉力場混凝土采用多線性隨動強化模型,通過與試驗數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn),本構(gòu)關(guān)系能夠很好地描述材料在不同加載條件下的受力特性。鋼筋的本構(gòu)關(guān)系采用雙直線模型,又稱完全彈塑性模型,是將鋼筋視為理想的彈塑性體,應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線可簡化為2條直線段,而不考慮由于應(yīng)變硬化所增加的應(yīng)力,對于屈服階段寬度較長且強度等級比較低的軟鋼,采用雙直線模型比較合適。1.2混凝土彈塑性模型數(shù)值模擬以MSC.MARC為平臺進行分析,MSC.MARC提供的混凝土彈塑性模型為Buyukozuturk建議的彈塑性模型,其屈服面表達式為:1.3彈性墊塊的添加采用實體單元Solid117模擬混凝土,桁架單元Truss7模擬分離式鋼筋,除板面附加鋼筋外,其余鋼筋采取自動耦合,板面附加鋼筋添加黏結(jié)滑移。在板兩端底邊施加位移約束,左側(cè)約束所有的平動位移,右側(cè)約束豎向平動位移,采用面荷載加載的方式。分析表明:將荷載直接加載在混凝土單元上,混凝土單元節(jié)點容易產(chǎn)生應(yīng)力集中而使計算中斷,故在支座和荷載施加處添加彈性墊塊?；炷劣邢拊Ｐ腿鐖D1所示。1.4b-b疊合面受拉性能分析由于新舊混凝土疊合面的受力行為不同于整澆混凝土,故對其區(qū)別對待。A-A水平疊合面與B-B豎直疊合面如圖2所示。A-A疊合面主要承受剪力,在諸多實驗中已經(jīng)證實其不會發(fā)生分離,采用界面單元進行模擬,其表達式為:其中,fc為混凝土抗壓強度;對于普通粒徑混凝土,α=0.3。B-B疊合面主要承受拉力,新舊混凝土疊合面受拉性能較弱,為了人為控制模型在B-B疊合面首先開裂,采取脫層分析。B-B脫層分析的判斷準(zhǔn)則為:其中,σn、σt分別為法向和切向應(yīng)力;Sn、St分別為容許法向和切向應(yīng)力;m=1.2;n=1.5。1.5附加鋼筋黏結(jié)滑移疊合板拼縫處由于采取等強配筋,拼縫處配筋錨固長度較大,在拼縫附近截面因預(yù)制板受拉鋼筋和板面附加鋼筋同時存在,故截面剛度較大,如圖2中C區(qū)域所示。而實際情況為在該截面主要由板面附加鋼筋承受拉力,并逐漸傳遞給預(yù)制板受拉鋼筋,所以為了更好地模擬實際受力情況,需要在板面附加鋼筋處設(shè)置黏結(jié)滑移。黏結(jié)滑移選取Houde和Mirza4階本構(gòu)關(guān)系,該關(guān)系可表示為:其中,τ為黏結(jié)應(yīng)力;S為相對位移;fc為混凝土軸心抗壓強度。在MARC中,采用非線性彈簧來模擬黏結(jié)滑移效應(yīng),故需要將黏結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系轉(zhuǎn)換為彈簧的本構(gòu)關(guān)系,彈簧剛度的計算公式為:其中,A為鋼筋單元與混凝土單元的交界面積,A=πdl,l為連接單元的間距。1.6單元間黏結(jié)滑移作用拼縫處是整個構(gòu)件的薄弱部位,拼縫處的鋼筋起到整體性的關(guān)鍵作用,所以拼縫處混凝土單元和鋼筋單元的劃分和連接是整個建模的關(guān)鍵。在MSC.MARC軟件中,單元之間的連接通常有以下3種方式:(1)共用節(jié)點耦合方式,使不同單元共用相同的節(jié)點,從而使單元變形協(xié)調(diào);(2)對軟件自帶的Insert功能進行耦合,該功能能夠自動考慮不同單元間的作用使變形協(xié)調(diào),在不考慮黏結(jié)滑移作用時,這種方式是鋼筋與混凝土共同作用最常用的方式;(3)鋼筋單元和混凝土單元節(jié)點間添加黏結(jié)滑移彈簧單元,通過彈簧的作用來協(xié)調(diào)單元間的變形?？紤]拼縫處鋼筋的黏結(jié)滑移作用,本文認(rèn)為第3種單元連接方式是最合適的。由于鋼筋的有限元模型為桁架單元(trusselement),并且鋼筋在混凝土新舊疊合面處,故將鋼筋單元與混凝土單元按照相同長度劃分,使鋼筋單元和混凝土單元的節(jié)點重合(僅空間坐標(biāo)上節(jié)點重合,實際具有不同節(jié)點編號),在重合節(jié)點處添加本構(gòu)關(guān)系的長度為0的彈簧單元,如圖3所示,圖3中,陰影為混凝土單元,粗實線為鋼筋單元。2試件結(jié)構(gòu)及加載(1)拼接板B-1。預(yù)制板2塊,試件尺寸600mm×50mm×2000mm,C40混凝土,412主筋、Φ6@200箍筋、2Φ10架立筋。試件在跨中拼接成4100mm的疊合板、拼縫寬100mm。C40后澆混凝土,厚150mm,總厚200mm。拼縫處連接筋412,伸入兩側(cè)預(yù)制部分錨固長度430mm。(2)加強拼接板B-2。預(yù)制板2塊,尺寸和配筋同拼接板B-1,后澆混凝土強度等級相同,連接鋼筋改為414,兩側(cè)伸入預(yù)制部分錨固長度490mm。試件三分點集中加載,千斤頂-分配梁系統(tǒng)實現(xiàn)單調(diào)靜力加載,荷載傳感器控制加載值。位移測點布置如圖2所示。3分析與驗證結(jié)果3.1極限荷載、撓度值對比根據(jù)模擬所得數(shù)據(jù)繪制了疊合板跨中彎矩-撓度曲線,并與實驗值對比,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知,模擬所得彎矩-撓度曲線與試驗曲線較為一致,且計算結(jié)果偏向安全,尤其在開裂和屈服點2處關(guān)鍵點擬合良好。將模擬所得到的疊合板的極限荷載值、撓度值與實測極限荷載值及撓度值進行對比,見表1所列。通過查看MSC.MARC中的開裂應(yīng)變,可以觀察開裂情況,并與實際開裂情況對比,結(jié)果如圖5所示。通過放大計算結(jié)果,可以觀察到B-B疊合面的分離情況,但是A-A疊合面并不發(fā)生分離,如圖6所示。通過對比結(jié)果可以看出,極限彎矩的模擬值與試驗值誤差較小,極限撓度誤差略大,這可能與單元尺寸劃分精度、輸入的材料參數(shù)有關(guān),但誤差仍在可接受范圍內(nèi)。綜上分析,采用界面單元和脫層分析來模擬疊合板是可行的,計算結(jié)果與試驗結(jié)果擬合良好,因此可作為后續(xù)參數(shù)分析的基礎(chǔ)。3.2格構(gòu)鋼筋在板受力分析中的應(yīng)用帶格構(gòu)鋼筋的疊合板中,格構(gòu)鋼筋的作用是在疊合板運輸、安裝中保證樓板具有相應(yīng)的剛度;同時對于樓板的上部鋼筋而言,格構(gòu)鋼筋又可以起到支架作用。格構(gòu)鋼筋能夠?qū)㈩A(yù)制部分與現(xiàn)澆混凝土很好地結(jié)合在一起,同時起到一部分抗彎和抗剪鋼筋的作用。格構(gòu)鋼筋具有空間桁架的幾何形式,具有優(yōu)越的受力與傳力性能,本文擬對格構(gòu)鋼筋在板受力過程中的作用進行分析與討論。為使格構(gòu)鋼筋作用分析更具備普遍性,現(xiàn)取一塊6m×6m整澆的雙向板作為參數(shù)分析的基準(zhǔn),板厚180mm,其中,相鄰兩邊固支,另兩邊簡支,按照我國規(guī)范進行配筋。板厚180mm、1m板寬計算配筋為:底部受拉鋼筋510@200,支座負(fù)筋412@270。對帶格構(gòu)鋼筋和不帶格構(gòu)鋼筋的整澆板在相同工況下進行計算,結(jié)果見表2所列。格構(gòu)鋼筋因其空間桁架結(jié)構(gòu)形式,能夠使現(xiàn)澆混凝土和預(yù)制混凝土共同工作,由表2可得,在正常使用狀態(tài)下的承載力提高了8.6%,極限承載力提高僅為0.3%,而極限撓度提高達到16.86%。綜上分析可知,格構(gòu)鋼筋對于板在正常使用狀態(tài)下的承載力有明顯提高,且板的延性增加較