基于abaqus的混凝土受拉狀態(tài)下栓釘性能研究

基于abaqus的混凝土受拉狀態(tài)下栓釘性能研究

1組合梁中栓釘連接件性能的試驗(yàn)研究連接點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)鋼-混凝土組合梁的聯(lián)合工作，傳遞了連接和提升的重要因素。而承載力和剛度是栓釘連接件的重要指標(biāo)。栓釘連接件的性能一般是通過推出試驗(yàn)或梁式試驗(yàn)結(jié)果得到的。文獻(xiàn)通過分析比較認(rèn)為:推出試驗(yàn)的結(jié)果是梁式試驗(yàn)的下限,組合梁中栓釘連接件的性能可以用推出試驗(yàn)結(jié)果來表述。各國規(guī)范均以推出試驗(yàn)結(jié)果作為確定栓釘承載力的依據(jù)。目前,國內(nèi)外對(duì)栓釘承載力和剛度的研究主要集中在混凝土受壓區(qū),對(duì)于混凝土受拉狀態(tài)下的研究較少。我國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范給出組合梁負(fù)彎矩區(qū)栓釘連接件承載力為正彎矩區(qū)的0.9倍,原因是負(fù)彎矩區(qū)混凝土受拉開裂,對(duì)栓釘?shù)募s束程度降低,導(dǎo)致栓釘承載力折減。文獻(xiàn)通過5組18個(gè)試件的反向推出試驗(yàn)也得到類似的結(jié)論。對(duì)栓釘連接件剛度的研究,大部分學(xué)者認(rèn)為比混凝土受壓狀態(tài)下略低,但均沒有給出定量的說明。本文利用大型有限元分析軟件ABAQUS6.5,在同時(shí)考慮栓釘直徑、混凝土強(qiáng)度和配筋率的基礎(chǔ)上,對(duì)12個(gè)試件進(jìn)行了反向推出模擬,以比較各因素對(duì)栓釘連接件承載力和剛度的影響。2反向推出試驗(yàn)的有限元模型為了比較栓釘直徑、混凝土強(qiáng)度和配筋率對(duì)栓釘承載力和剪切剛度的影響,建立如圖1所示的有限元模型來模擬反向推出試驗(yàn)。試驗(yàn)中將試件分為A,B,C,D四組,共11個(gè),見表1所示。2.1混凝土非線性行為本文分析中,混凝土材料采用ABAQUS自帶的損傷塑性模型(Concretedamagedplasticity),該模型使用各向同性損傷彈性結(jié)合各向同性拉伸和壓縮塑性的模式來表示混凝土的非線性行為。是一種基于連續(xù)介質(zhì)的損傷模型。2.1.1-應(yīng)變曲線上升段二次織入口,二次織入本文采用Hognestad建議的模型,其應(yīng)力-應(yīng)變曲線的上升段為二次拋物線,下降段為一斜直線,表達(dá)式為:式中:ε0為峰值應(yīng)變;εu為混凝土極限壓應(yīng)變,一般取εu=0.0038mm。2.1.2混凝土受拉式在反向推出試驗(yàn)中,混凝土應(yīng)力分量以受拉為主。本文采用清華大學(xué)過鎮(zhèn)海等提出的混凝土受拉表達(dá)式:式中:αt=0.312f;εt表示峰值拉應(yīng)變;f表示混凝土單軸抗拉強(qiáng)度。2.2應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)模型在理論分析中為簡化起見,常將鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變曲線理想化,對(duì)于不同性能、不同用途的鋼材選用合適的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,常用的有:雙直線模型、三折線模型、雙斜線模型及雙斜線加曲線模型。根據(jù)文獻(xiàn)研究表明,在推出試驗(yàn)中,模型破壞時(shí),混凝土達(dá)到極限強(qiáng)度,而鋼材均處于彈性受力階段。故鋼材采用雙直線模型,即理想彈塑性模型。取彈性模量Es=206000MPa,泊松比ν=0.3。2.3損傷指標(biāo)的描述當(dāng)混凝土材料進(jìn)入塑性狀態(tài)后,其剛度降低,ABAQUS中用受拉損傷指標(biāo)dt和受壓損傷指標(biāo)dc來描述。dt和dc由混凝土進(jìn)入塑性狀態(tài)的程度來決定,其值由混凝土本身的性質(zhì)以及混凝土發(fā)生損傷后的應(yīng)力水平確定。2.4eccad風(fēng)速鋼與混凝土板之間的相互作用,應(yīng)用Surface-to-surfacecontact接觸,接觸屬性中采用摩擦接觸中的罰函數(shù)(penalty)公式。型鋼與栓釘及栓釘與混凝土之間均應(yīng)用了束縛(tie)約束。沒有考慮焊接因素的影響,同時(shí)忽略了混凝土板與鋼梁交接面之間的摩擦。2.5基于一維應(yīng)變理論的桿單元ABAQUS中,對(duì)于混凝土中鋼筋有兩種模擬方法:其一是在混凝土中定義REBAR,REBAR本身不是單元,其作用相當(dāng)于基于一維應(yīng)變理論的桿單元;其二是在主體單元中定義嵌入單元(EMBEDDEDELEMENT),它可以在模型中的某一“主體“單元定義單個(gè)的或成組的嵌入單元,也可以模擬混凝土中的加強(qiáng)筋。因此本文采用第二種模型中的桁架單元T3D2。另外,本文選用實(shí)體單元中縮減積分的三維八節(jié)點(diǎn)C3D8R,作為H型鋼梁、混凝土板以及栓釘?shù)膯卧愋汀?混凝土強(qiáng)度對(duì)栓釘連接件承載力的影響利用有限元分析軟件ABAQUS,考慮混凝土強(qiáng)度、栓釘直徑及配筋率的影響下,經(jīng)有限元分析得出反向推出試驗(yàn)?zāi)Ｐ妥冃魏笄忻婧退ㄡ斪冃稳鐖D2所示,典型的栓釘連接件荷載-滑移關(guān)系曲線如圖3所示。有限元分析表明,在混凝土強(qiáng)度小于C50時(shí),反向推出試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷钠茐男问骄鶠榛炷翂簤?栓釘連接件沒有達(dá)到屈服強(qiáng)度,從而證實(shí)了鋼材采用理想彈塑模型的正確性。在配筋率不變的情況下,栓釘直徑和混凝土強(qiáng)度對(duì)栓釘連接件承載力的影響較大,如圖4和圖5所示,隨著栓釘直徑和混凝土強(qiáng)度的增大,栓釘承載力近似線性增加。如圖6所示,當(dāng)栓釘直徑和混凝土強(qiáng)度不變時(shí),配筋率對(duì)栓釘連接件承載力也有影響,但相對(duì)較小。由表1可得,本次模擬結(jié)果比按現(xiàn)行規(guī)范計(jì)算值偏大,與文獻(xiàn)和現(xiàn)行規(guī)范吻合較好。同時(shí),由于目前僅有對(duì)表1中4組11個(gè)試件的模擬,對(duì)比試驗(yàn)較少,無法進(jìn)行回歸分析,在使用時(shí)應(yīng)慎重。4栓釘連接件剪切剛度的影響(1)混凝土強(qiáng)度和栓釘直徑對(duì)混凝土受拉區(qū)栓釘抗剪承載力影響較為顯著,而配筋率對(duì)其影響較小。(2)隨著混凝土強(qiáng)度、栓釘直徑及配筋率的提高,栓釘連接件