乳化沥青改性水泥砂浆的细观结构数值研究,ANSYS在钢筋混凝土构件受力全过程分析中的应用

随着钢管水泥技术的上扬和使用,商讨钢管混凝土柱子的受压品质进一步首要,小说基于ANSYS有限元软件,模拟钢管水泥柱子受压进度,完结了ANSYS模拟钢管水泥柱子的受压剖判,验证了钢管水泥柱子受压质量优越钢混的定论。

钢混结构是近年来工业与民用建筑中最要紧的构造格局。由于钢混是由三种本性分裂的资料———混凝土和钢筋组合而成,它的品质显著地依赖于那二种资料的性质,特别是非线性阶段,对钢混结构进行非线性剖判就呈现相当重大了。有限元方法作为七个强有力的数值深入分析工具,在钢混结构的非线性深入分析中起着那三个重要的效劳。在钢筋水泥结构有限元分析世界,对于水泥结构分析应该思考的成分富含水泥的应力-应变个性曲线(非线性弹性,弹塑性等)的模子,水泥的破坏面模型,裂缝的模仿,钢筋的模仿,钢筋的应力应变模型(如:双线性弹性硬化塑性)及包蕴水泥钢筋接触面包车型大巴结合滑移、拉伸硬化模型和颚裂接触面模型。要效仿钢混结构的受力机理及破坏进度,关键要创造地采纳单元类型和水泥的毁损法规。本文首假设从这一个角度,介绍单元选拔、定义质地性格的主意。

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1、钢管水泥概述

二、用ANSYS 进行有限元计算

今昔随着土木工程的无休止升华,对于水泥砂浆的天性建议了愈来愈多地方的渴求。在对水泥静态力学质量的钻研中,除了能够接纳已被大范围选拔的专断骨料模型、格构模型等细观力学模型分析水泥的力学品质以外,以细观力学的意见塑造别的模型用于深入分析水泥砂浆的力学质量。本文将要检验基础上,利用细观力学模型对乳化沥青改性水泥砂浆的弹性模量举办分析。

钢管水泥是钢管内填入水泥的一种流行性元件,具备承载力高,施工方便,塑性、韧性好,耐火、耐腐蚀等好多亮点,同一时候持有很好的经济效果与利益,因而,在众多工程中拿走了优秀的接纳。近几年来,钢管水泥预制构件在建筑,矿山,道路,桥梁,工业厂房,大巴车站方面都赢得了精美的应用效能。钢管水泥自个儿的独到之处迷惑了大宗我们从事钢管混凝土的探讨,其行事原理是:钢管约束水泥,提供模板和平条款束力的职能,水泥提供抗压工夫,幸免钢管屈曲,二种资料一起合作,发挥了钢管的承载力高的独到之处并克服了水泥抗拉手艺低的症结,比较钢混和纯钢结构节约了大气的资金,钻探钢管水泥柱子的受压性能对钢管水泥技巧的前行具备主要意义。

有限元法是如今工程本领领域中实用性最强、应用最为常见的数值总括形式。它的核心理维是将难题的求解域划分为一多级单元,单元之间靠节点连接。单元内部点的待求物理量可由单元节点物理量通过选定的函数关系插值求得。由于单元形状轻便,易于由平衡关系或能量关系创建节点量之间的方程式,然后由单元方程再产生完整代数方程组,加入边界条件后就可以对方程组求解。

采取细观力学理论商讨实用模量的普及方法有弹性力学解法、材质力学的半经验解法、随机计算法、自恰理论和广义自恰理论、微分法、相关函数积分法和平均场法。以上各艺术即便创造起了复合材质的细观量与宏观量的涉及,但无法给出局地场的细节。20世纪70时期出现了均匀化理论用于解析七个或更五个长度尺度的大意系统。80年份该理论获得更加的提升。均匀化理论是一套严谨的数学理论。该方法用均质的微观布局和非均质的全数周期性布满的细观结构描述原结构。一点的细观结构以为是持有细观尺度的代表单元在空间上再一次堆成堆而成,通过况兼引进宏观尺度和细观尺度,可以详细地思虑材料细观结构的影响。由于均匀化理论的严密性、有效性,本文将运用该方式开始展览资料的立见成效质量总括。

2、ANSYS软件简单介绍

ANSYS
软件是集合构、热、流体、电磁、声学于一体的特大型通用有限元剖判软件,可遍布地运用于土木工程、交通、水利、铁道、石油化工、航空航天、机械创制、国防军事工业、电子、造船、生物经济学、地质矿产、日用家用电器等一般工业及正确商讨。AN?鄄SYS
有限元深入分析软件具有以下优点:收缩设计开销、收缩设计和深入分析的轮回周期、扩充产品和工程的可信赖性。接纳优化规划,裁减材质的花费和资金,在成品营造或工程施工前先行开掘潜在的难点,可以实行模拟实验深入分析,举行机械事故剖析,查找事故开始和结果。

一、细观力学模型

ANSYS已经被分布应用于航空,航天,土木,建筑,电磁等世界中,经过几十年的上扬,已经与众多软件建设构造了联网关系,例如PROE,CAD,UG等大型建立模型软件。ANSYS软件在模仿钢管水泥柱子中已经有了非常多的应用,其中中国电子科技大学,杜阿拉农业大学曾经成功使用ANSYS模拟成功了钢管水泥柱子的受力深入分析,在布局工程中赢得了大面积的施用。利用ANSYS软件对钢管水泥柱子受压质量进行辨析,能够使得地减弱资金,收缩设计费用,尤其对钢管水泥这种复合材质,运用ANSYS软件拓展受力剖析特别加速了其在工程领域的迈入,有效解决了试验时模拟钢管水泥柱子受力深入分析的有的供应无法满足必要,在试验室中,很轻便发生受压轴偏移,水泥凝固后不均匀,含有空隙等主题素材,但在ANSYS中却不设有这一个难题。

挑选单元类型

正文商讨的对象为乳化沥青改性水泥砂浆,在细观档期的顺序上被视为一种三相复合质地。乳化沥青改性水泥砂浆中,由于有乳化沥青的留存,使部分未水化的水泥颗粒被乳化沥青包裹,形成类似于球状的构造,并填充于水泥水化产物变成的间歇的、孔隙非常的大的网状连串中。整个水泥砂浆之中的包裹了未水化水泥颗粒的乳化沥青的遍布意况,能够是自由的,也足以是均匀的。可是,从宏观上来看,它是均匀的,故只选拔叁个代表单元,就能够代表全部。又由于代表单元的尺寸远小于全体尺寸,由此可将它看作三个物理点。对于宏观均匀的复合质感,放肆取三个要么几个代表单元进行研商,其结果都以一样的。

3、ANSYS模拟钢管混凝土理论功底

ANSYS软件本身含有大批量的单元类型,如BEAM、LINK、SOLID、PIPE、PLANE、SHELL、COMBIN、MASS等结构方面包车型地铁单元类型。三维8结点实体等参单元,SOLID65单元(如图1所示)平时用来效仿钢混材料,实体单元每一个节点都有3个自由度,该单元能够发生塑性变形,在多个趋势上开裂及能够被压碎。

在本文中,只对乳化沥青改性水泥砂浆在二维平面包车型大巴情况张开辨析,同一时候作以下要是:第一,在乳化沥青改性水泥砂浆中,包裹了乳化沥青的未水化水泥颗粒半径是平等的,遍布是均匀的,何况是各向同性的;第二,在乳化沥青改性水泥砂浆中,除了包裹了乳化沥青的未水化水泥颗粒以外别的未丰富水化的混凝土颗粒均被视为已通通水化,即作为砂浆相思索;第三,细观力学模型中只思索三相材质——未水化水泥颗粒、乳化沥青和水泥砂浆,不挂念孔隙及垃圾等成分;第四,代表单元在全部模型中是均匀地、准则地、周期性地布满的,並且各种代

3.1、钢管混凝土力学若是

其间的钢筋的模仿有三种方法,一种是当做附加弥散钢筋布满在三个点名方向,即全体式。钢筋作为附加弥散钢筋参加到SOLID65单元中,是由此输入实常数,给定SOLID
65
单元在三个维度空间各种方向的钢骨材料编号、地方、角度和配筋率。这种格局首要用以有雅量钢筋且钢筋遍布较均匀的部件中,比方剪力墙或楼板结构;另一种把混凝土和钢筋作为差别单元来管理即分离式,水泥与构件各自被细分成充足小的单元,水泥采纳SOLID65D单元模拟,钢筋常常用LINK8单元模拟。LINK8单元有五个节点,每一种节
点有3个自由度,见图2。利用空间杆单元LINK8创建钢筋模型和水泥单元共用节点。这种艺术建立模型相比平价,能够随性所欲安插钢筋并可直观得到钢筋的内力。不过建立模型须求考虑共用节点的职位,且易于并发应力聚焦拉坏水泥的标题。

二、均匀化代表单元和边际约束

钢管水泥柱子的力学深入分析模型受到ANSYS软件的掣肘,须求选取弹性力学的艺术对其力学深入分析模型实行假如,在ANSYS深入分析钢管水泥力学模型条件下,钢管与水泥受力剖析模型假诺如下:

梁单元允许钢筋爆发剪应变,不过因为在ANSYS中那一个单元唯有线性别变化形,所以钢筋大概会并未有塑性别变化形。弥散钢筋和LINK单元选项中一度席卷了在模仿进程中当钢筋剪切刚度损失时的弹塑性天性曲线。

要剖析乳化沥青改性水泥砂浆的可行弹性模量,只需从细观力学模型中收取三个意味着单元举行研商。故选用中间三个边长为a星型单元,其主导处有贰个半径为圆和内径为、外径为同心圆环,在那之中基本圆形代表在单位面积内被乳化沥青包裹的未水化的混凝土颗粒,阴影部分圆环为包装未水化水泥颗粒的乳化沥青,长方形截面包车型大巴任何部分代表已水化混凝土转移的水泥砂浆。如图2所示。依照代表单元的边际约束规范,即获得如图2和图2所示的牢笼情势。

假定钢管和水泥同样,都属于弹性材质;

水泥质感是一种恍若脆性的、受拉和受压质量不一致的资料,抗拉强度约为抗压强度的8%~15%。图3为混凝土的单轴受压的应力-应变曲线。对于混凝土模型能够使Multilinear
kinematic hardening plasticity 模型或许Drucker-Prager plas?鄄ticity
模型等,用来定义水泥的应力应变关系和用SOLID 65
特有的Concrete单元数据用于定义如单轴和多轴拉压强度等水泥的强度法规。ANSYS
须求输入水泥弹性模量、单轴极限抗压强度、单轴极限抗拉强度、泊松比、打开裂缝间的划分传递周密(一般以为在0.1~0.5)、闭合裂缝间的细分传递全面(一般感到在0.7~0.9)。

三、选用模型参数

如若钢管与水泥的接触属于均匀接触,未有滑移和空隙,在受力进度中始终维持弹性接触;

对于钢筋,作为一种金属材料,其力学模型绝对轻松把握,一般选用双折线随动强化模型(BKIN)等给定叁个应力应变关系的曲线,应用Von
Mises屈服准绳,即当钢筋屈服,步向塑性阶段。

正文的数值计算,一样凭借通用有限元软件ANSYS举办,所取的调查参数为:未水化混凝土颗粒的弹性模量,泊松比;水泥砂浆的弹性模量,泊松比;乳化沥青的弹性模量,泊松比;水灰比0.5;聚灰比5.5%。依据水灰比和聚灰比能够总括出代表单元的面积、未水化水泥颗粒的面积、乳化沥青的面积之间的比例关系。

钢管的强度符合莫尔库伦强度理论;

水泥和钢筋组合措施倘使钢筋和水泥之间位移完全协和,未有思念钢筋和水泥之间的滑移,而通过参与分界面单元的措施,能够进一步升高分析的精度,一样接纳空间杆单元LINK8建设构造钢筋模型。不一样的是水泥单元和钢筋单元之间采取弹簧模型COMBIN单元来树立连接。可是,由于一般钢筋水泥结构中钢筋和水泥之间都有比较卓越的定点,一般不思考水泥与钢筋之间的组合滑移。

在ANYSYS中照旧采纳板单元PLANE2,在分割单元网格时,同样采用同一的单元尺寸,以利于前边的乘除。

钢管沿厚度方向上的通往应力呈线性布满,周向应力成均匀布满。

从那之后,国内外语专科学校家提议的水泥破坏法规不下数几十三个,如Mohr-Coulomb理论、Von
Mises平均剪应力理论、Tresca最大剪应力理论等古典强度理论,及Willam-Warnke五参数破坏法则等依赖试验的水泥破坏法则。各类法规的说明式和繁简程度不等,适用范围和总计精度差异大,由此,合理选择混凝土破坏准则尤为重大。

四、数值计算结果

3.2、ANSYS模拟钢管水泥基本要是

ANSYS提供了以混凝土三轴品质的基本模型(William-Warnke见图7)的用于模拟脆性材料的非线性天性曲线。单元包蕴受拉区裂缝的效仿和用于表达受压区水泥的压碎可能率的塑性算法。各样单元有8个积分点,在那么些点处完毕裂缝和压碎的检讨。在一直不直达水泥受拉强度也许抗压强度在此以前,单元表现为线性。一旦单元主应力之一在积分点超越了混凝土抗拉强度只怕抗压强度,单元裂缝也许压碎开头产出。
随着应力在部分的重遍及,在垂直于相应主应力方向变成裂缝区大概压碎区。那样单元是非线性的,须求使用迭代求解器。在一切剪力传递和未有剪力传递裂缝截面之间剪力沿着裂缝传递的数量是变化的。压碎算法和塑性法规相近,一旦截面压碎
,应力不改变,沿着荷载进一步加多的大方向应变扩张。起头裂缝发生之后,相切于裂缝面的应力只怕在积分点引起一条或许两条裂开的进化。

正文的总结是经过对表示单元施加一定值的初应变,总计获得相应的应力值,由于接纳同一尺寸的单元网格,总计获得的每种单元的应力和应变的平均值正是意味单元的平分应力和平均应变,然后计算获得乳化沥青改性水泥砂浆的弹性模量和泊松比。

假设混凝土尚未压碎:ANSYS软件探究混凝土这种非线性质感时,非常轻巧出现不流失的情况,因而,在模拟钢管混凝土柱子的研商中,不思念水泥的非线性破坏,假使水泥不会冒出压碎,由此可以制止ANSYS在模仿钢管水泥时不流失的气象。

简支静定钢混梁,截面尺寸为22.86×55.25cm,长365.76cm,受拉区3根钢筋总面积为25.8cm2,水泥弹性模量为Ec=3E4N/mm2,轴心抗压强度fc=24.5MPa,抗力强度ft=0.1fc=2.45MPa,钢筋弹性模量Es=191.4Gpa,梁破坏时应力不超过662N/mm2。

然后通过改造分裂的规格参数,譬如:调治水泥颗粒在象征单元中的百分含量、改换水泥颗粒的半径、通过调节聚灰比改动乳化沥青相在表示单元中的面积百分比以及变化初应变值等艺术,研商各个因素对于水泥砂浆的弹性模量的熏陶事态。

如若无滑移:钢管与水泥在骨子里的触及进程中必定会有微微空当,但从理论研究的角度,不能对这一空隙举行切磋,因而,运用ANSYS软件对这一标题开始展览研究时,也借使钢管和水泥之间不会冒出空隙,借使钢管与水泥之间未有出现弹簧单元或滑移单元,两个之间未有别的粘结,假使三种材质的徐变,减弱,膨胀对任何结构没有影响,要是材质是弹性的触及能够的弹性接触。

运用跨中施加聚集荷载,直到破坏。模拟此梁采纳钢筋离散的办法即接纳SOLID65单元模拟水泥,LINK8单元来模拟钢筋,把体分割,把SOLID65单元属性赋给体,把LINK8单元属性赋给其交线,见图8。然后开始展览网格划分,见图9。在跨中施加集中荷载,见图10。

五、首要结论

一经钢管和水泥尚未出现残余应力:残余应力通过Computer很难展开模拟,本文在研讨钢管水泥的柱子受压中,不考虑钢管水泥的残余应力,即使钢材和水泥为弹塑性模型。

用ANSYS有限元分析得到的荷载挠度曲线结果绘制在图1第11中学,分析得到的毁损荷载约为260KN,位移为8.80972mm,试验获得的毁伤荷载为258.1KN,位移为7.5mm,表明与试验值吻合较好。得的磨损的非线性荷载挠度曲线相比较好。梁第一条裂开出现后,刚度有确定的落伍。

先是,随着未水化水泥颗粒在水泥砂浆中的含量的加强,水泥砂浆的弹性模量值呈显然的下滑势头,并且降低的幅度到达10%,如图3所示。表达在骨子里运用中应有使乳化沥青包裹尽量多的未水化混凝土颗粒,那样方便减少水泥砂浆的弹性模量。

3.3、收敛难点的拍卖

第二,如图4所示,尽管改换未水化颗粒的半径,可是对于弹性模量的熏陶不是不行大名鼎鼎,整个变化幅度不超过5%;声明乳化沥青包裹的混凝土颗粒的半径对于弹性模量的熏陶能够忽略。

未有毛病主要性面对网格密度,子步数,收敛准绳等的熏陶。对于钢管水泥的网格密度,绝对要把握合适,并非越密越好,要适于调弄整理其网格密度,最后鲜明最合适总计的网格密度,一般网格密度须要试总括鲜明。钢管混凝土的子步数,一般安装依据构件尺寸和所加荷载的大大小小分明,本文为了节约计算,设置的钢管水泥柱子的尺寸合适,能感应钢管水泥柱子受压品质就可以,在总计进程中,通过试验将子步数设置在50~150时期,最后得出的结果令人满足。

其三,如图5所示,随着聚灰比的加码,水泥砂浆的弹性模量显示回退势头,何况下落的宽窄也正如大越过15%,能够印证随着聚灰比进一步增大,弹性模量还大概会接连下降。

4、ANSYS模拟钢管混凝土柱子受压进度深入分析

第四,从图6可以开采,在对表示单元施加初应变值时,其孳生的混凝土砂浆的弹性模量的浮动非常点儿,基本决定在5%以内,所以初应变值对于混凝土砂浆的弹性模量的影响可以忽略。

4.1、模型假使

钢管水泥柱子在外力成效下,变形协同,工作处境特出,钢管和水泥处于弹性受力处境,不思量钢管水泥的压碎破坏,假若钢管不会生出屈曲。钢管水泥之间的滑移不思念,假如粘结面完全结合,不考Slip-element或Gap-element,利用模型粘接命令,直接将钢管与混凝土实行Glue命令粘接。钢管与水泥之间为各向同性材质,其主干的力学参数,弹性模量和泊松比都选拔最常见的参数,一旦走入非线性阶段,则运用塑形选项进行。

4.2、单元选用

钢管水泥的柱子受压力学剖析,必须运用三维实体单元,由此,本文的钢管选用SOLID45单元,该单元有三个维度的立面上的四个自由度,8个节点,同一时候可以效仿塑形、蠕变、膨胀、应力强化等力量。钢管的应力应变关系曲线选用最为特出的双线随动模型,有弹性和塑性七个斜率,适用于VonMises屈服准绳,该法则适用于好多五金小应变难点。水泥选用与钢管单元类似的三个维度实体SOLID65单元,该单元在SOLID45的基本功上扩展了区别和压碎,钢管水泥的解析中,由于不思考其压碎,只需关闭其压碎成效,水泥的应力应变关系曲线采取Drucker-Prager模型,该模型重要针对水泥,岩石等资料,选用空间8节点进行迭代。

4.3、钢管水泥参数的精选

钢管与水泥材质参数的挑选是最要紧的一环,对于钢管和混凝土,在ANSYS模拟中,须要选用一些常用的参数,如弹性模量,塑形模量,屈服应力和密度,泊松比,本文针对模型特意选定的资料参数如下:钢管单元材料参数:泊松比0.28,弹性模量2.06伊105N/mm2,屈服应力300N/mm2,密度7.85g/cm3,在动用ANSYS对钢管水泥进行模拟时,钢管和水泥的材质单位断定要统一,不然会耳熏目染总结结果,水泥的素材选取为:泊松比0.2,弹性模量3.65伊104N/mm2,粘聚力5.5654N/mm2,摩擦角55.6毅,膨胀角30毅。

4.4、模型建设构造与网格划分

模型选择圆形钢管水泥柱子,钢管厚度选择4mm钢管,水泥接纳实体填充,本试验利用的是钢管水泥短柱进行解析,鉴于ANSYS单元数目太多会变成运算量过大的难题,将钢管水泥柱子的直径设置140mm,柱子长度设定为500mm,进而进行钢管水泥的轴向受压模型剖析,由于是圆柱子,将网格划分为照射网格划分,最后产生沿柱子长度方向的均匀的四面体网格。由于本模型较为简单,并从未设置弹簧单元大概间隙单元,而是直接使用Vglue命令,直接将二种资料进行粘接。

4.5、总结结果显示与解析

本试验成功地模拟出了钢管混凝土柱子的受力,依照屈服结果和位移云图,鲜明地看出其位移云图符合理论深入分析,由此可知,运用ANSYS拆解分析钢管水泥柱子的受压质量是可行的。由于钢管水泥的回顾成效,钢管的套箍效能和水泥的钢管支撑效应,钢管水泥的弯曲情势发生了变形,钢管水泥的受力形态与钢管和水泥单独材质的受力形态不一,空钢管柱在截面处首首发出的有的屈服,而钢管水泥柱则完全屈服,其慑服形态完全符合复合材料的投降形态。依照位移的应力应变关系曲线深入分析,当荷载达到某一值时,钢管混凝土柱的移动和挠度产生了调换,荷载快速跌落,构件步向到不稳固平衡状态,是第一级的柱子破坏特征,钢管水泥的屈服应力获得了非常的大的增高,差不离约等于经常钢筋水泥理论受力的1.3~1.5倍。

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