鋼管桁架疊合板有限元分析

(山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院 山東 濟(jì)南 250101)

引言

發(fā)展預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)，能夠促進(jìn)我國(guó)建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。疊合結(jié)構(gòu)具有整體性好、利于抗震、施工周期短等優(yōu)點(diǎn)。因而，發(fā)展和研究鋼筋混凝土疊合體系有利于推動(dòng)建筑產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。鋼筋桁架混凝土疊合板的鋼筋桁架，將混凝土樓板的上下層鋼筋連接起來，組成能夠承受空間荷載的空間小桁架，再澆筑完后澆層后，該小桁架成為混凝土樓板的上下層配筋，承受后期的使用荷載。鋼筋桁架混凝土疊合板具有制作簡(jiǎn)單、管線鋪設(shè)方面、施工速度快、省模板和腳手架等優(yōu)點(diǎn)[1]。

ABAQUS在國(guó)際上作為最先進(jìn)的通用有限元分析軟件之一，ABAQUS中，常用的混凝土本構(gòu)模型為混凝土損傷塑性模型和混凝土彌散開裂模型。在ABAQUS中，對(duì)空間桁架只提供了一種2節(jié)點(diǎn)三維桁架單元，而對(duì)于三維實(shí)體單元，ABAQUS則提供了5種常用的單元，分別為線性完全積分單元、二次完全積分單元、線性減縮積分單元、二次減縮積分單元及非協(xié)調(diào)單元。

本文提出一種新型灌漿鋼管桁架混凝土疊合板，即將鋼筋桁架的上弦桿由鋼筋改為灌漿鋼管[2]。本文對(duì)兩個(gè)不同桁架腹筋間距的鋼管桁架疊合板底板，進(jìn)行ABAQUS有限元分析，研究分析桁架腹筋間距對(duì)鋼管桁架疊合板預(yù)制底板施工階段的力學(xué)性能影響。

一、有限元數(shù)值模擬分析

(一)基本假定

用ABAQUS研究非線性問題之前，對(duì)實(shí)際模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，促進(jìn)模型計(jì)算收斂，增加模型的計(jì)算效率?；炷帘緲?gòu)模型采用損傷塑性模型，鋼筋本構(gòu)模型采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化彈塑性本構(gòu)模型，采用Von-Mises屈服準(zhǔn)則[3]。按照下列公式定義彈性階段的無損傷彈性模量EO:EO=ftk/εtk。

(二)材料屬性

混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為C40，彈性模量為E=3.25e4MPa，泊松比為0.2；預(yù)應(yīng)力鋼絲抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1570MPa，彈性模量為2.05e5MPa，泊松比為0.3；預(yù)應(yīng)力采用低溫收縮模擬，利用公式ΔT=ΔL/(L×a),ΔL=N×L/(Ep×Ap)，其中L為預(yù)應(yīng)力鋼絲原來長(zhǎng)度、a為線膨脹系數(shù)、Ep為預(yù)應(yīng)力鋼絲的彈性模量、Ap為預(yù)應(yīng)力鋼絲的截面面積、N為預(yù)應(yīng)力鋼絲的拉力；上弦鋼管采用Q195，直徑為28，抗拉強(qiáng)度為260 MPa，彈性模量為2.01e5MPa；腹桿鋼筋采用HPB300，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為300MPa，彈性模量為2.10e5MPa。

(三)定義荷載與約束

鋼管桁架混凝土疊合板底板支座為簡(jiǎn)支，在ABAQUS中可以通過在一端采用固定鉸支座,另一端采用滾動(dòng)鉸支座，來實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)支的約束形式。預(yù)應(yīng)力鋼絲通過嵌入命令嵌入到混凝土中，使其協(xié)同受力變形。

二、模擬結(jié)果與分析

(一)跨中撓度結(jié)果與分析

底板在施加自重荷載時(shí)，疊合板處在彈性階段，撓度隨荷載的增加呈線性增長(zhǎng)；當(dāng)荷載為1.5kN/m2時(shí)，曲線出現(xiàn)第一個(gè)轉(zhuǎn)點(diǎn)，此時(shí)板底混凝土開裂，疊合板的剛度下降，表現(xiàn)為撓度曲線斜率的增大。當(dāng)卸載施工活荷載時(shí)，疊合板底板出現(xiàn)了明顯的回彈，但是未能回彈到施加自重荷載時(shí)候的狀態(tài)。與桁架間距為200mm底板相比，400mm的底板撓度曲線斜率較大；在初始加載的時(shí)候，DB-1的荷載撓度曲線斜率要小于DB-2，說明減小桁架間距能增加預(yù)制混凝土底板的整體剛度。

(二)預(yù)應(yīng)力鋼絲應(yīng)力結(jié)果與分析

在加載初期，疊合板底板預(yù)應(yīng)力鋼絲應(yīng)力很小，且應(yīng)力與荷載保持線性關(guān)系；當(dāng)荷載達(dá)到1.5kN/m2后，即達(dá)到開裂荷載后，混凝土退出工作，全部的荷載由預(yù)應(yīng)力鋼絲獨(dú)自承擔(dān)，使得鋼絲應(yīng)力突然增大。

(三)混凝土應(yīng)力結(jié)果與分析

由混凝土的應(yīng)力-分析步長(zhǎng)曲線知，應(yīng)力負(fù)值表示壓應(yīng)力，正值表示拉應(yīng)力。故鋼管桁

架混凝土疊合板板底受拉力板面受壓力。桁架間距為400mm的鋼管桁架混凝土疊合板底板出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。

三、結(jié)論

本文可得出以下結(jié)論：(1)桁架腹筋間距為200mm可以明顯減小疊合板施工階段的撓度且提高承載能力?？梢酝ㄟ^減小桁架間距來減少施工階段臨時(shí)支撐的布置。(2)過于稀疏的鋼筋桁架，應(yīng)特別注意驗(yàn)算上弦鋼管桁架的穩(wěn)定性。