一、引言
新型双向预应力装配式空心楼盖板是在普通预制空心板的基础上, 分别在板的受拉区底部布置纵横双层正交的预应力筋, 纵横双层预应力是指有黏结与无黏结双层预应力筋。新型双向预应力装配式空心楼盖板的具体制作分两步, 第一步是在预制工厂预先在板纵向位置布置有黏结预应力筋及横向位置设置预留孔洞以便无黏结预应力筋的贯穿;第二步是在施工现场将无黏结预应力筋贯穿各个板的横向预留孔洞, 对整板横向张拉[1,2]。优点就是预制率高、节省材料、满足大跨度大开间的需求、整体性良好和缩短工期等。
二、有限元模型的建立
(一) 单元选取
采用有限元软件ANSYS建立模型, 预应力钢筋采用Beam188单元模拟, 混凝土采用solid65[3]三维实体单元模拟。
(二) 定义材料属性
有限元模型加载分析时, 按照C30混凝土定义混凝土材料属性。
(三) 网格划分
网格的密度需要合理的进行分割, 网格分割的精度以具体情况为准, 需要对单板结构有应力集中的周围位置分割较多一点。
(四) 施加荷载
张拉预应力采用降温法来施加, 外荷载施加位移加载方式加载。加载和支撑位置均设了置了垫块作为荷载和约束的缓冲;同时根据实际情况, 将垫块与单板模型对应表面设置不分离类型的接触, 以实现单板构件的简支约束形式, 如图1所示。
(五) 收敛控制
使用ANSYS默认的力收敛准则并将其容差放宽, 同时使用位移收敛准则辅助控制收敛精度。
三、有限元模型分析
单板构件基本信息, 尺寸3300×600×150 (圆孔80mm) ;钢筋配置, 纵向配置5根预应力直径为5mm的800N/mm2低合金的冷拔钢丝线;横向配置后张无黏结选用的是直径为5mm的消除应力低松弛螺旋肋钢丝。从图2可知, 单板整体最大位移为19.47mm, 说明了整体位移主要以竖向挠度位移为主;位移最大值主要集中在单板跨中位置, 两端成对称形状分布, 这一结果与理论预期完全一致。由图3可知, 混凝土最大应力出现在跨中上部位置, 符合混凝土结构三点弯试验受力特征为;端部孔之间的混凝土及预应力筋附近的混凝土都出现了较大应力, 实现了单板端部混凝土的有效利用, 减少了常规混凝土实心板非主要受力区域的浪费。
从图4可知, 最大应力为纵向预应力筋跨中位置, 达到该筋的屈服应力800MPa, 经查之前的载荷最大应力都未达到该屈服应力, 即表示极限承载时刻不仅混凝土在端部出现了较大的受拉破坏, 而且在跨中纵向预应力筋也刚好达到了屈服即将断裂。
从图5可知, 新型单板已经完全破坏, 裂缝主要集中在跨中和板端, 大部分单元都出现了三种颜色的裂缝标识, 即表示单元出现了多个方向的裂缝损伤。由此说明工程中对新型双向预应力装配式空心板的使用或者加强中, 应该在板端部和中部酌情处理, 比如端部约束尽量采用可滑动的简支形式, 中部板底可以考虑铺设纤维等加固材料。
单板参数敏感性分析。由于对新型双向预应力装配式空心楼盖板的性能及对其的影响因素了解甚少, 需要对其有所了解, 所以本节在验证了有限元模型合理的情况下, 再通过改变一些重要的参数来研究新型双向预应力装配式空心单板力学性能的变化规律。通过改变新型预制空心楼盖板孔间距、孔径、和厚跨比以及宽跨比来研究新型预制空心楼盖板受力性能的变化。孔间距变化对试件荷载位移曲线的影响如图6所示。随着孔间距的增加, 单板的刚度和承载力均有明显的增加。研究分析可得, 随着单板孔间距的不断增加, 单板的孔洞之间对单板截面不利程度相对减少。
孔径变化对单板荷载位移曲线的影响如图7所示。单板原始的孔径为80mm。研究分析可知, 孔径的增加, 不仅在横向位置增加了对截面的不利影响, 而且在纵向对截面也产生不利影响, 对板的受力性能折减力度比较大。单板初始的厚度h=150mm, 跨度l=3300mm, 厚跨比h/l=0.045, 厚跨比变化对单板荷载位移曲线的影响如图8所示。随着厚跨比的増加, 单板的承载力和刚度均稍微有所提升, 结果显示一定程度上提升单板的厚跨比对单板的受力性能有所优化改善。
单板初始的宽度b=600mm, 跨度l=3300mm, 宽跨比b/l=0.18, 新型双向预应力装配式空心板宽跨比变化对试件荷载位移曲线的影响如图9所示。可见宽跨比的变化对新型双向预应力装配式空心板受力性能没有明显影响。
四、结语
由新型双向预应力装配式空心楼盖板单板整体位移云图可知, 位移值最大值为19.47mm, 集中在跨中位置, 两端成对称形状分布;在极限承载时, 混凝土最大压应力未达到极限抗压强度, 端部孔附加混凝土承受较大压力, 说明新型空心板相对比实心板, 对混凝土的非主要受力区域有效利用;混凝土最大压应力集中在单板端部, 说明混凝土的破坏形式为端部受拉破坏;工程中对新型双向预应力装配式空心楼盖板的使用或者加强中, 应该在板端部和中部酌情处理。
摘要：新型双向预应力装配式空心楼盖板是一种新型的结构体系, 是在普通预应力预制空心楼盖板的基础上, 研究的一种新型的装配式楼盖体系。首先论述新型双向预应力装配式楼盖板单板有限元模型的建立过程, 再分析了单板模型中混凝土及预应力筋受力性能。
关键词：预应力,结构体系,有限元,受力性能
参考文献
[1] 程火焰, 聂凯.无黏结与有黏结混合双向预应力空心板梁体系的试验研究[J].湖南工程学院学报 (自然科学版) , 2015, 25 (4) :83-86.
[2] 程火焰, 唐小璐, 李迅.无黏结与有黏结混合配筋混凝土空心板试验研究[J].湖工程学院学报 (自然科学版) , 2014, 24 (3) :86-89.
[3] 孙耀宗, 马云玲, 刘志会.预应力考查学生组合结构受力性能的ANSYS分析[J].建材世界, 2007, 28 (2) :63-66.