预制带肋底板混凝土叠合试件动力学显式方法初探.docxVIP

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预制带肋底板混凝土叠合试件动力学显式方法初探

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摘要：近年来，我国房地产业高速发展，对混凝土等建筑材料需求量、建设效率和建筑绿色环保的要求越来愈高。预制带肋底板混凝土叠合板可以实现提高建设效率还能实现建筑材料的绿色环保。本文对叠合界面有限元仿真分析的显式分析方法进行了研究，得出了叠合面材料稳定极限的计算方法。

关键词：预制带肋底板混凝土；叠合；动力学；建模

引言

预制带肋底板混凝土叠合板在合理的处理了先、后浇混凝土叠合面力学属性、预设孔洞内混凝土剪力键、横向穿孔钢筋与混凝土的粘结滑移等问题的基础上，利用ABAQUS有限元软件提出了适用于预制带肋底板混凝土叠合试件进行叠合面仿真分析的建模方法，可以得出了组成叠合面抗剪承载力的各项分力所占比例，让其具有更好的建筑使用性能[1-3]。

1叠合界面有限元仿真分析的方法研究

叠合面是新老混凝土的交界面，从微观结构上对该界面进行研究可知：可将界面分为扩散层、强效应层和弱效应层三个层区，从老混凝土界面开始深入新混凝土100-200μm的过渡层是粘结界面的最薄弱层，其界面的粘结作用力主要为各种水化产物间的机械咬合力。将如此薄弱窄小的一个界面层直接建立有限元模型进行分析，对于从宏观力学的角度去探究叠合面受力性能的研究人员而言是很不方便的，故一般研人员进行叠合结构的有限元受力分析时，都对叠合面进行了一定的简化处理[4]。

最简单的处理方式是不考虑叠合面的粘结滑移，将叠合结构整体建模，只考虑新老混凝土强度的差异。此方法固然简单但过于粗糙，对于试件内部剪应力较小的受弯叠合试件尚可作此理想假定，但对于承受较大剪力作用的叠合试件，叠合面的粘结-滑移性能将对试件的承载力将产生较为明显的影响，此时忽略叠合面的粘结滑移属性是不合理的。

第二种处理方式是采用三维弹簧单元(Spring2)来进行叠合面受力行为模拟。Spring2是用来连接2个节点的弹簧单元，可以通过定义弹簧的刚度，应力-变形曲线，即力和相对滑移曲线的函数来定义弹簧的非线性性能[5-6]。通常认为，在三维有限元分析中，新、老混凝土的相互作用是三维的，可以通过法向（垂直于新老混凝土粘结面)、纵向切向(平行于粘结面且沿着加载方向）和横向切向(平行于粘结面且垂直于加载方向)这3个方向的弹簧单元来进行模拟。并通过引入这3个方向的劲度系数来分别定性描述新老混凝土的相互作用。该方法可以通过前期的试验工作确定弹簧的力-位移关系，进而较为准确的模拟叠合面在粘结破坏前的力学性能，但无法定义弹簧的破坏准则，故难以模拟叠合面粘结破坏后的力学特征，且该方法需对叠合面上新、老混凝土的对应节点均使用弹簧连接上，对于模型较大的叠合结构而言，建模工作未免过于繁重。

第三种处理方式是建立专门的叠合层混凝土单元，如cohesiveelement(ABAQUS)或contactelement(ANSYS、MAC)。基于界面相对位移和应力之间关系建立的界面单元能够有效地模拟混凝土叠合界面的力学行为，甚至可以将界面单元视为零厚度界面单元，相应的界面单元的材料模型采用牵引力-相对位移(traction-separate模型)进行描述。这种单元的建立方法有两种：第一种方式是先将结构整体建模，再在接触面部位划分出一薄层作为叠合面混凝土单元，这种方式建立的叠合层混凝土单元与其他单元共用节点，并通过共用节点传递力和位移，但划分网格时较为复杂，网格没有划分好的话容易造成计算结果无法收敛。第二种建立方法为独立建立一个薄层作为一个部件，将该薄层独立赋予材料属性后直接采用“tie”命令与其他部件粘结起来。该方法可以单独划分薄层网格，且网格密度不必与其他部件的网格密度一致，较为方便[7]。采用建立专门的叠合层混凝土单元的处理方式可以较为直观的观察叠合面的损伤破坏形态，且模拟叠合面粘结-滑移的效果较好，但模型的将各部件粘结在一起时较为麻烦，前处理工作较为复杂繁琐，适合用于简单模型的精确分析。

第二种处理方式是将先、后浇混凝土的叠合面抗剪性能问题看作两个不同部件之间的接触问题。接触问题是工程实际中常见的典型非线性问题，大多数接触问题都难以用解析法求解。有限元方法出现后，研究人员普遍采用数值方法对接触问题进行求解，取得了很好的效果。从1881年Hertz导出并求解了接触问题的积分方程开始至今，接触问题得到了极大的发展，多种大型通用有限元商业软件，如ANSYS、ABAQUS、MSC.Marc等都包含有专门分析接触问题的接触模块，此不赘述。利用“接触模块”的建模方式，研究人员可以指定接触面并通过赋予接触面属性的方式定义叠合面的力学行为。由于不用考虑新、老混凝土的网格密度差异和节点的坐标对应问题，建模工作的效率和精确性得到了很大的提