论文部分内容阅读
摘要：通过对11组不同板柱连接的冲切破坏进行ANSYS非线性模拟，以及在前人相关试验的基础上，观察在加载过程中板的破坏状况，分析板柱连接的受力性能与破坏特性。运用ANSYS模拟得出板破坏时的极限荷载，并将该模拟值与试验值进行比较，认为用ANSYS来模拟板柱连接节点发生冲切破坏的方法是可行。
关键词：板柱连接；非线性；极限荷载；
中图分类号：TU37文献标识码： A 文章编号：
一．引言
钢筋混凝土板柱连接结构常常应用于多层的工业与民用建筑中，如商场、书库等。这种结构的构造高度比框架肋梁楼盖小，这使得建筑楼层的有效空间加大，同时平滑的楼板板底可以大大改善采光、通风条件；结构上传力途径简捷，结构简单，因而成为工程上广受关注的结构体系。但是，这种钢筋混凝土平板受到柱子集中反力的作用常常傾向于发生冲切破坏,属于“脆性破坏”，因此有必要对于这种结构的受力性能与破坏特性进行分析。国内外学者对于平板的冲切问题进行过大量而广泛的试验[2]，并取得了很好的研究成果。但是他们的试验很多是以矩形柱(方柱)或圆柱为研究对象，以异形柱为研究对象的试验仍然较少。本文是建立在刘文铤等人做过钢筋混凝土异形柱-板连接冲切特性试验[1]的基础上采用合理的材料性能参数、几何参数及边界条件等对11组不同板柱连接的冲切破坏进行ANSYS模拟并作出相应分析。
二．试件状况
总共进行了4组11块不同板柱连接下冲切破坏非线性模拟，所有的平板采用了长，厚度150的双向板，柱高取400，荷载施加在柱子中心节点[1]，板底采用刚性垫片。试件详细资料见表1。
表1 试件参数列表
三．非线性有限元分析
为了建模简便，采用整体式模型，假设不考虑混凝土的压碎，钢筋为双线性随动硬化材料，在有限元分析中取张开裂缝的剪切传递系数取0.4,闭合裂缝的剪切传递系数取0.9。以CS1为例，其模型见图1。
图1CS1有限元模型
板底采用简支约束，采用力加载的方式，为了减小应力集中，先将柱顶上所有节点在Z方向耦合于一点上，再在此关键点上施加集中荷载。同时设置1个荷载步与150个荷载子步，子步的最大迭代数取50，非线性选项选用力收敛准则且收敛精度取0.04。施加的集中荷载值取用试验的破坏荷载值进行试算，计算结果若不收敛时，适当减少荷载值，反之则增加，所采用的荷载值在收敛与不收敛的范围内，反复试算可得板破坏的极限荷载。
以CS-1号试件的模拟结果为例，由于钢筋混凝土结构具有一定的抗拉能力，在刚开始加载时板未出现裂缝，当荷载加至极限荷载的20%~25%时，柱周板底开始产生平行于板边的十字形交叉裂缝，随着荷载的增大，裂缝慢慢向四周扩展；荷载达到约30%时，板底裂缝开始往上斜向延伸；施加荷载达到40%左右时，柱周板底裂缝以辐射状散开；加载至50%~55%时，柱周板面开始呈现少量裂缝；随后继续加载，增大至约极限荷载的75%时，板面裂缝逐渐向下扩展直到与板底斜向延伸的裂缝贯通形成通缝；当加载至85%左右时，斜向裂缝扩展的密度逐渐集中，板面清晰可见围绕着柱子周边分布的裂缝，继续加载直到钢筋发生屈服，之后板体形成冲切锥而发生破坏。
把模拟得出的极限荷载值Pu与对应的试验值进行对比并将结果列于表2
表2 模拟值与试验值的对比
影响钢筋混凝土平板冲切强度的主要因素有混凝土的强度、板的厚度、纵筋配筋率，冲跨比以及柱子的加载面积等。通过非线性有限元模拟可知，混凝土的抗拉强度和板内纵向钢筋的配筋率对于冲切强度的影响较大，极限荷载随着混凝土的强度与板的配筋率的提高而增大。
将极限荷载的模拟值与试验值进行对比，可得知的平均值为0.9928,标准差为0.0124，变异系数为0.0125，离散性较小，说明用ANSYS有限元的方法来模拟板柱连接冲切破坏的方法是可行的。
四．结语
(1). 以ANSYS来模拟板柱连接的冲切破坏，易于清楚板内部裂缝的扩展情况及钢筋是否屈服，从而分析板内受力性能与破坏特性。然而在试验过程中钢筋混凝土平板是成品，里面的钢筋是否屈服不易判断，里面的裂缝扩展情况也不易于观察，而且模拟所花时间相对较少，说明采用ANSYS模拟的方法是可行的。
(2). 从冲切承载力模拟值中可以看出：在相同截面面积的情况下，同方柱相比，异形柱板柱连接的承载力相对较大，这说明在无梁楼盖体系中使用异形柱代替方柱的方法是可行的，因为使用异形柱较方柱而言既满足承载力的要求，又能增加一些使用空间。
参考文献
[1] 刘文铤,黄承逵. 钢筋混凝土异形柱板连接冲切特性试验研究[J].建筑结构学报, 2004, 25(4): 26~33
[2] Sevket Ozden, Ugur Ersoy and Turan Ozturan. Punching shear tests of normal- and high-strength concrete flat plates, Can.J.Civ.Eng. Vol.33, 2006.
[3] 张元伟. 钢筋混凝土板抗冲切试验的研究，湖南大学硕士学位论文, 2009:39~44
[4] 杨芸. 钢筋混凝土平板结构冲切破坏与剪切破坏的研究, 安徽理工大学硕士学位论文, 2009:40~45
[5] 叶裕明,刘春山,沈火明等. ANSYS土木工程应用实例(第二版), 中国水利水电出版社, 2005:76~93
关键词：板柱连接；非线性；极限荷载；
中图分类号：TU37文献标识码： A 文章编号：
一．引言
钢筋混凝土板柱连接结构常常应用于多层的工业与民用建筑中，如商场、书库等。这种结构的构造高度比框架肋梁楼盖小，这使得建筑楼层的有效空间加大，同时平滑的楼板板底可以大大改善采光、通风条件；结构上传力途径简捷，结构简单，因而成为工程上广受关注的结构体系。但是，这种钢筋混凝土平板受到柱子集中反力的作用常常傾向于发生冲切破坏,属于“脆性破坏”，因此有必要对于这种结构的受力性能与破坏特性进行分析。国内外学者对于平板的冲切问题进行过大量而广泛的试验[2]，并取得了很好的研究成果。但是他们的试验很多是以矩形柱(方柱)或圆柱为研究对象，以异形柱为研究对象的试验仍然较少。本文是建立在刘文铤等人做过钢筋混凝土异形柱-板连接冲切特性试验[1]的基础上采用合理的材料性能参数、几何参数及边界条件等对11组不同板柱连接的冲切破坏进行ANSYS模拟并作出相应分析。
二．试件状况
总共进行了4组11块不同板柱连接下冲切破坏非线性模拟，所有的平板采用了长，厚度150的双向板，柱高取400，荷载施加在柱子中心节点[1]，板底采用刚性垫片。试件详细资料见表1。
表1 试件参数列表
三．非线性有限元分析
为了建模简便，采用整体式模型，假设不考虑混凝土的压碎，钢筋为双线性随动硬化材料，在有限元分析中取张开裂缝的剪切传递系数取0.4,闭合裂缝的剪切传递系数取0.9。以CS1为例，其模型见图1。
图1CS1有限元模型
板底采用简支约束，采用力加载的方式，为了减小应力集中，先将柱顶上所有节点在Z方向耦合于一点上，再在此关键点上施加集中荷载。同时设置1个荷载步与150个荷载子步，子步的最大迭代数取50，非线性选项选用力收敛准则且收敛精度取0.04。施加的集中荷载值取用试验的破坏荷载值进行试算，计算结果若不收敛时，适当减少荷载值，反之则增加，所采用的荷载值在收敛与不收敛的范围内，反复试算可得板破坏的极限荷载。
以CS-1号试件的模拟结果为例，由于钢筋混凝土结构具有一定的抗拉能力，在刚开始加载时板未出现裂缝，当荷载加至极限荷载的20%~25%时，柱周板底开始产生平行于板边的十字形交叉裂缝，随着荷载的增大，裂缝慢慢向四周扩展；荷载达到约30%时，板底裂缝开始往上斜向延伸；施加荷载达到40%左右时，柱周板底裂缝以辐射状散开；加载至50%~55%时，柱周板面开始呈现少量裂缝；随后继续加载，增大至约极限荷载的75%时，板面裂缝逐渐向下扩展直到与板底斜向延伸的裂缝贯通形成通缝；当加载至85%左右时，斜向裂缝扩展的密度逐渐集中，板面清晰可见围绕着柱子周边分布的裂缝，继续加载直到钢筋发生屈服，之后板体形成冲切锥而发生破坏。
把模拟得出的极限荷载值Pu与对应的试验值进行对比并将结果列于表2
表2 模拟值与试验值的对比
影响钢筋混凝土平板冲切强度的主要因素有混凝土的强度、板的厚度、纵筋配筋率，冲跨比以及柱子的加载面积等。通过非线性有限元模拟可知，混凝土的抗拉强度和板内纵向钢筋的配筋率对于冲切强度的影响较大，极限荷载随着混凝土的强度与板的配筋率的提高而增大。
将极限荷载的模拟值与试验值进行对比，可得知的平均值为0.9928,标准差为0.0124，变异系数为0.0125，离散性较小，说明用ANSYS有限元的方法来模拟板柱连接冲切破坏的方法是可行的。
四．结语
(1). 以ANSYS来模拟板柱连接的冲切破坏，易于清楚板内部裂缝的扩展情况及钢筋是否屈服，从而分析板内受力性能与破坏特性。然而在试验过程中钢筋混凝土平板是成品，里面的钢筋是否屈服不易判断，里面的裂缝扩展情况也不易于观察，而且模拟所花时间相对较少，说明采用ANSYS模拟的方法是可行的。
(2). 从冲切承载力模拟值中可以看出：在相同截面面积的情况下，同方柱相比，异形柱板柱连接的承载力相对较大，这说明在无梁楼盖体系中使用异形柱代替方柱的方法是可行的，因为使用异形柱较方柱而言既满足承载力的要求，又能增加一些使用空间。
参考文献
[1] 刘文铤,黄承逵. 钢筋混凝土异形柱板连接冲切特性试验研究[J].建筑结构学报, 2004, 25(4): 26~33
[2] Sevket Ozden, Ugur Ersoy and Turan Ozturan. Punching shear tests of normal- and high-strength concrete flat plates, Can.J.Civ.Eng. Vol.33, 2006.
[3] 张元伟. 钢筋混凝土板抗冲切试验的研究，湖南大学硕士学位论文, 2009:39~44
[4] 杨芸. 钢筋混凝土平板结构冲切破坏与剪切破坏的研究, 安徽理工大学硕士学位论文, 2009:40~45
[5] 叶裕明,刘春山,沈火明等. ANSYS土木工程应用实例(第二版), 中国水利水电出版社, 2005:76~93