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混凝土结构温度效应的有限元分析

发布于:2016-05-21 19:47
有限元分析

      随着国内经济的快速发展,工业和公共建筑的规模越来越大。由于建筑功能、使用工艺和建筑外观等方面的需求,建筑不设缝长度可能会超过规范中的限值,在这些超长结构中,温度效应对结构产生的影响不容忽视。
      本研究用通用有限元分析AppABAQUS,计算分析一典型超长混凝土框架结构在最不利温度作用下的温度效应,研究板中应力和柱底弯矩的分布规律。对于超长混凝土结构,《混凝土结构设计规范》(GB 50010-2010) (以下简称《规范》)建议“采用专门的预加应力或增配构造钢筋的措施”,本研究通过参数分析,研究板中普通钢筋和预应力钢筋对温度效应的控制作用。
      框架结构在温度作用下,会产生水平侧移,框架柱会对结构的水平位移产生约束作用。框架柱的约束作用可以用侧移刚度来表示。
      分析可以得出,框架柱的约束作用随高度增加衰减很快,而结构在温度作用下,约束越强,产生的温度应力越大,故框架结构在整体温差作用下一层的温度应力最大,在以下分析中,计算模型的框架结构层数选定为一层。
      计算模型的平面布置如图所示。结构平面尺寸90 m x 30 m,单向超长。柱网尺寸6 m x6m,柱的截面尺寸为500 mm x 500 mm,梁截面尺寸300 mm x 500 mm,板厚150 mm,层高6 m。混凝土强度等级C40,钢筋强度等级HRB400。
      通过大型通用有限元AppABAQUS建立该结构的模型,如图所示。梁、柱采用梁单元B32,板采用壳单元S4R,以达到既提高计算效率,又保证计算精度的目的。梁和柱中的配筋等效为箱型型钢,忽略了箍筋的影响。板中钢筋根据板的配筋率,通过Rebar Layer定义钢筋层。整个模型共划分单元23127个,节点20878个。
      混凝土材料的本构关系采用损伤塑性模型,钢筋材料的本构关系采用线性强化弹塑性模型,其计算公式参考《规范》中推荐的计算方法。
      以苏州为例,根据苏州气象站资料统计,苏州最高月平均气温为30.3℃,极端高温为39.2℃,最低月平均气温为0.3℃,极端最低气温为-9.8℃,多年的平均相对湿度为80%。考虑热传导作用,在大气环境温度的变化下,结构表面温度随之变化,但结构构件内部温度传导较慢,变化滞后于环境温度的变化,故分析温度效应时,选择月气温平均值来计算温度荷载,即△T=0.3-30.3=-30℃。
      根据得出的等效温差,对结构整体降温45℃,得到结构板上、下表面纵向的应力分布,分别如图所示。
      分析板中应力分布云图可以得出以下规律:
      1)由板中心到四周,板中应力呈现逐渐减小的趋势。结构中心位置附近板中拉应力最大,这主要是由于板中部受到的约束较大,从而会产生较大的热应力。
      2)梁柱节点处应力较大,边跨附近节点应力达到极值。边柱板底处拉应力出现最大值,这是由于梁柱节点附近发生了应力集中现象。
      3)板上、下表面应力是由结构中心向四周震荡变化的。在梁柱节点处,上、下表面应力接近相反。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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