基于ANSYS的高强混凝土-钢纤维混凝土预应力结构的有限元分析

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1、丝!垒生篁至塑【篁篁!兰!塑2江酉建堑廑旦班窒基于ANSYS的高强混凝土一钢纤维混凝土预应力结构的有限元分析■李伟■重庆前进工程咨询有限公司。重庆401147摘要：高强混凝土、钢纤维混凝土、预应力筋、普通钢筋的组合设计结构．是高层建筑、大跨度结构及高耸结构建设中发挥高强混土优越性的主要措施。本文采用有限元法对一高强混凝土一钢纤维混凝土预应力箱型连续梁的单调加载全过程进行了数值模拟，获得了比较详细的计算结果，可为高强混凝土、钢纤维混凝土、预应力筋、普通钢筋的合理组合设计提供理论参考。关键词：高强混凝土钢纤维混凝土非线性有限元法O引言近年来，高

2、强混凝土在高层建筑、大跨度结构及高耸结构等的建设中得到了广泛的应用。高强混凝土具有优良的力学性能和良好的耐久性，但是延性较差。工程中，往往通过掺和纤维的方法来改善高强混凝土的力学性能，并与箍筋、纵向钢筋、预应力筋组合设计，形成高强混凝土一钢纤维混凝土预应力组合结构。此组合结构可充分发挥高强混凝土抗压强度高的优点，具有较好的抗拉、抗弯、抗剪、韧性、抗疲劳和抗冲击等性能，是混凝土应用发展的一个主要方向，应用前景广泛。为合理的设计此组合结构，充分发挥混凝土和钢筋各自的优势，需首先了解组合结构受力时各组成部分的力学行为，CAE辅助设计技术显得尤为重

3、要。本文工作为采用ANSYS软件对一的高强混凝土一钢纤维混凝土预应力箱型连续梁的单调加载全过程进行数值模拟，研究梁受载过程中，混凝土和钢筋的受力情况，为高强混凝土、钢纤维混凝土、预应力筋、普通钢筋的合理组合设计提供理论参考。1有限元模型的建立1．1单元类型的确定ANSYS针对混凝土。在一定假设前提下专门开发了solid65单元。其假设为⋯：(1)仅允许在每个积分点正交的方向开裂；(2)积分点上出现裂缝后，通过调整材料熟悉来模拟开裂．裂缝的处理方式采用弥散模型；(3)混凝土材料初始是为各向同性的；(4)除开裂和压碎之外，混凝土也会塑性变形，常

4、采用Drucker—prager屈服面模型模拟塑性行为的应力应变关系，在这种情况下，一般在假设开裂和压碎之前，塑性变形就已经完成。该单元可以模拟含钢筋或不含钢筋的3维实体模型，并且可以模拟混凝土的拉裂、压碎、塑性变形和徐变。因此，solid65单元在混凝土性能的研究中得到了广泛的应用I2,3j。对于组合结构中的普通钢筋和预应力钢筋，选择一合适的link单元模拟即可。12材料的本构关系12．1钢纤维混凝土的本构关系掺入钢纤维，由于跨裂缝的钢纤维起到的“桥”效应，钢纤维可有效提高混凝土抗拉强度和抗拉韧性，减缓混凝土的压溃过程。对于钢纤维的贡献，

5、一般是将其与混凝土一起考虑，通过实验方法获取钢纤维混凝土的本构关系。文献[4]采用分段函数描述钢纤维混凝土单轴受压的应力应变曲线，其分段公式为Y=Ax+(3—2a)x2+(A一2)x3上升段(1)y=—■—去丁一下降段(2)式中各参数求解公式为A=iEo(3)a一(1．4+o．012fk48)(1—0．8hfo·295)(4)xf-Vf÷(5)式中，Y=≠，x=÷，ffc(MPa)、8m是钢纤维混凝土抗压强度和相·8·应的应变；、分别是原点处切线弹性模量和极值点处割线弹性模量；^，l为钢纤维掺人量特征值；VVf为钢纤维体积掺量；÷为钢纤维长

6、径。U钢纤维混凝土抗拉强度主要受到纤维体积率、纤维长径比的影响。目前，计算钢纤维混凝土抗拉强度有两种模式。ffc=ft+B。h(第一模式)(6)ffc=ft(1+a．入f)(第二模式)(7)式中，ffc为钢纤维混凝土抗拉强度；‘为基体混凝土抗拉强度；xf为钢纤维掺人量特征值；d。、B。为计算参数，由试验确定。第一模式认为钢纤维的增强只与纤维种类和掺人量特征值有关，第二模式认为钢纤维的增强还和基体混凝土的强度有关。我国钢纤维混凝土规范采用第二模式计算抗拉强度，钢纤维长度<的熔抽型和圆直型纤维，(It。=0．36，l>．35ram的熔抽型和剪切

7、型纤维，d。=0．47。122钢筋的本构关系钢筋混凝土中采用的钢筋分为软钢和硬钢，软钢的应力一应变曲线有明显的流幅，而硬钢则没有。在有限元法中，常采用双直线模型和三折线模型描述软钢本构关系(模型曲线如图1所示)，采用双斜线模型描述硬钢本构关系。双直线模型适用于流幅较长的软钢，不考虑屈服强度的上限和由于应变硬化而增加的应力；三折线适用于流幅较短的软钢，可描述屈服后立即发生应变硬化的钢材，准确估计高出屈服应变后的应力。双斜线适用于描述没有明显流幅的高强钢，而在文献[5]中提出采用简化的应力应变关系描述硬钢本构关系，认为达到协定流限，钢筋就失去承

8、载能力，相对双斜线模型，结果偏保守。(a)双直线模型(b)三折线模型圈1钢筋本构关系的数学模型13混凝土的破坏准则Solid65单元的破坏面为改进的Willam—Waenke5参