单向预应力混凝土双向叠合板非线性有限元分析

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1、第七届全国现代结构工程学术研讨会单向预应力混凝土双向叠合板非线性有限元分析丁永君1，吴学辉2，杜剑3(I天津大学建筑设计研究院，天津，300072；2碧桂园物业发展有限公司。佛山，52833扎3天津市水泥设计研究院．天津300400)摘要：本文剖析了当前预应力混凝土双向叠台板在理论分析和设计应用方面存在的一些问题。结合该种叠合板的工作特性．并考虑材料的非线性、叠台板各向异性等l问素，笔者采用非线性有限元程序，分析并模拟了单向预应力混凝土双向叠合板在均布荷找作用下加载直到破坏的过程．并与试验结果进行了比较。关键词：单向预应力混凝七双向叠台板，非线性有限元，升裂荷载，极限

2、承戟能力一、引言预应力混凝土叠合板可分为全预应力混凝土双向叠合板和单向预应力混凝土双向叠合板⋯，前者是将预制的双向预应力底板搁置在粱格内或墙上，浇筑混凝土凝结则形成叠合双向板；后者在梁格或墙上布置多块单向预应力预制板，叠台前的受力阶段为简支单向板．待叠合层凝结后形成叠合双向板。前者由于预制薄板的配筋和尺寸多变，制造难度大，难以实现工厂标准化生产，运输和施工也十分困难，因此工程中多采用单向预应力捏凝土双向叠台板。单向预应力混凝土双向叠合扳的预制底板采用工厂制造，机械化程度高，易于保证质量，采用流水作业生产速度快，并且可提前制作，不占工期；现浇混凝土以预制部分做模板，较全

3、现浇结构可减轻支模工作量，节省模板材料，提高施工效率，缩短工期；叠合后整体性好，利于抗震。因此，单向预应力混凝土双向叠合板集现浇和预制的优点于一身，是一种很有前途的楼盖结构形式，经济效益十分显著”“⋯。然而，目前单向预应力混凝土取向叠台板的理论分析和设计还存在着下列问题：．1)按各向同性混凝土板的弯矩分配系数进行弹性设计，而预应力混凝土叠合板板长方向由于预应力的存在其弯曲刚度明显大于非预应力方向的抗弯刚度．这将使单向预应力混凝土双向叠合板不属于各向同性饭。2)叠合板组成村料的复杂性，再加上结构的特殊性，造成了同一截面上现浇和预制部分混凝土的应力应变关系非线性变化，存在

4、着受拉钢筋的“应力超前”和后浇混凝土的“受压应变滞后”现象，这使得采用传统分析方法难以把握叠合扳的实际力学性能。．?，3)规范”1中叠台板的设计方法仍沿用普通钢筋混凝土板的设计方法，这虽然能在一定程度上反映叠台板的受力性能并能满足工程设计的需要，但却不能充分体现预制和现浇部分混凝土共同工作的状况；。不能计算出结构在正常使用荷载作用下叠合板内部任一点的应力应变状态；不能清晰地给出叠合板在受外荷载作用下各受力阶段的形状和发展规律；不能揭示叠合板受力和变形的重分布过程。上述问题都给该种叠合板的应用和推广工作带来了不利影响．这使得对单向预应力混凝土取向叠合板的合理分析和设计方

5、法的研究显得尤为蓖要和迫切。而采用有限元分析方法可以充分展示预制和现浇两部分之间的耦合和传力特征；可以体现村料的非线性性能和各向异性的性质；可以计算出叠合板任一点应力应变状态和变形等．因此，笔者将采用ANsYs软件对单向预应力混凝土双向叠合板进行非线性有限元三维建模和全过程受力分析，并将分析结果与试验数据对比。工业建筑2007增刊1703第七屑全国现代结构丁程学术研讨会二、有限元模型的建立和求解卜)材料本构关系模型的选择图1混凝土单轴受压全曲线8图2双折线弹塑性强化模型_r．混凝上单轴受压的本构关系采用saenz公式来描述‘”，其应力一应变关系曲线如图l所宗，其数学表

6、达式如下：当乞冬￡o时驴专—‰、㈤‘·+陪她”、“。当￡q(E。s￡。。oc=oq(2)式中：岛一原点切线模量；E一峰值点的割线模量tE，=oi，岛，cr01岛分别为应力峰值和相应的应变，取‰=O．002；￡。一混凝土极限压应变，取￡。=O．0033。钢筋采用双折线弹塑性强化模型‘“，屈服强度为c，砬，弹性模量为E，强化模量为F，其应力一应变曲线如图2所示，其数学表达式为：。l盯=Es￡∈【o，￡，】1盯=￡+E7(￡一￡y)￡∈【o，毛]。’(二)混凝土破坏准则混凝土破坏准则来用ANsYs中常采用的willam—wamke五参数强度准则，用平均剪应力和平均正应力表示

7、的拉、压子午线方程为：詈=南=。‰怕凳+a：(署]2牡。。≯=盘=％+魄≥+。：(≥)2『口=∞。(4)工业建筑2007增刊匿腿第七届争国现代结构T枵学术研讨会这五个参数可由ANsYs中c。ncrete材料的输入孝璺(单轴抗压强度t，罂轴抗压强嘎，c。，单轴抗拉强度，，围压下双轴抗压强度^，围压卡争轴抗廑强度，2一)确定，在低静永压力状悉下1只要输入，c和，就行了‘”。．(三)单元类型的选择及单元特性’’钢筋单元选用L珊K8单庙该单元有2个节戌广每个节点有妻个平动自由度，即uxjuY、UZ，它可以承受单向拉伸和压缩。混凝±采用sOLID6亨单元，。‘