基于試驗結(jié)果的數(shù)值模擬報告-4

1、外包鋼板加固鋼筋混凝土橋墩試件的數(shù)值模擬結(jié)果報告上海交通大學(xué)2014-11概述11.1試驗概述11.2有限元模型概述22材料特性32.1鋼板與鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線32.2混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線43有限元模擬結(jié)果與試驗結(jié)果的荷載-位移曲線比較74有限元結(jié)果考察84.1主拉應(yīng)變云圖104.2主壓應(yīng)變云圖114.3剪應(yīng)變云圖124.4豎向正應(yīng)力彩色云圖134.5主拉應(yīng)變矢量圖144.6主壓應(yīng)變矢量圖154.7鋼板Mises應(yīng)力云圖164.8鋼筋軸向應(yīng)力云圖175總結(jié)186參考文獻181概述1.1試驗概述基于阪神高速道路公團關(guān)于受損鋼筋混凝土橋墩補強加固試驗報告1,選取表1所示的3個正方形截面鋼筋混凝

2、土橋墩為研究對象，施加恒定豎向軸力后，在橋墩頂端施加水平反復(fù)荷載模擬地震作用。圖1.1.1為試件示意圖，模型縮尺為實際橋墩的1/6,試件截面尺寸為600mm*600mm,高度為3410mm,外包鋼板厚度為1.6mm。配筋概況如圖1.1.1-1.1.2所示，受拉鋼筋為28根D10鋼筋（配筋率：p=0.61%）,箍筋為4-ctc200（配筋率:ps=0.11%）。3個試件的加固方法、與基礎(chǔ)的錨固情況分別為：SCaseA:未加固的鋼筋混凝土橋墩（參見圖1.1.3）；CaseB:經(jīng)外包鋼板加固后的橋墩（其中外包鋼板與基礎(chǔ)完全錨固，參見圖1.1.4）；CaseC:經(jīng)外包鋼板加固后的橋墩（其中外包鋼板與基

3、礎(chǔ)間留有5cm空隙，參見圖1.1.5）。11IIil!li111111i111111i1i1i1i11III900600f2400900009-00遺rrOor00卜口00L卜圖111試件整體示意圖圖112橋墩橫截面配筋圖表1試件編號說明供試體文獻中對應(yīng)編號加固方式CaseANo.12未加固CaseBNo.6外包鋼板與基礎(chǔ)完全錨固CaseCNo.8外包鋼板與基礎(chǔ)間留有5cm空隙外包鋼板圖114CaseB示意圖RC柱圖115CaseC示意圖1.2有限元模型概述采用Abaqus有限元分析軟件建立平面應(yīng)力模型，進行三種不同工況下鋼筋混凝土橋墩的極限承載力分析。建模時根據(jù)不同材料定義為不同單元類型，其

4、中混凝土采用二維平面應(yīng)力單元（CPS4）,鋼筋采用二維桿單元（T2D2）,側(cè)面外包鋼板采用二維梁單元B21）,正面外包鋼板采用二維平面應(yīng)力單元（CPS4）。鋼筋網(wǎng)通過embed命令嵌入混凝土，而外包鋼板與鋼筋混凝土橋墩采用tie命令進行綁定，縱筋與箍筋采用merge的方式，將兩者合并成鋼筋網(wǎng)。鋼筋混凝土橋墩與基礎(chǔ)之間的連接采用完全固結(jié)方式。圖1.2.1示鋼板和混凝土的單元網(wǎng)格劃分，圖122示鋼筋單元布置。圖1.2.1鋼板、混凝土平面應(yīng)力單元網(wǎng)格圖圖1.2.2鋼筋單元網(wǎng)格圖豎向荷載（55tf）采用均布加載方式，施加在橋墩頂部，而側(cè)向荷載采用位移加載方式，施加單調(diào)漸增荷載至橋墩破壞。2材料特性2.

5、1鋼板與鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在Abaqus建模時分別對鋼筋、鋼板和混凝土的材料特性進行單獨定義以考慮材料的非線性特性。其中，鋼筋與鋼板采用圖2.1.1圖2.1.3所示的完全彈塑性模型，鋼材材料特性如表2所示。(32):;30.0010.0020.003Strain0.0040.0050.0064圖211縱筋的單軸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系0.0010.0020.003Strain0.0040.0050.0064003002001000(爐2)醫(yī)陽4S圖2.1.2箍筋的單軸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系表2.鋼材材料特性一覽表縱筋箍筋鋼板彈性模量（MPa）2.06x1052.06x1052.06x105屈服強度（MPa）3

6、81.4327.7241.2400ooOooO321(Raw)QIfIIIIII00.0010.0020.0030.0040.0050.006Strain圖2.1.3鋼板的單軸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系2.2混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線40200.0010.0020.003Strain0.0040.0050.006120.00010.00020.00030.00040.0005圖2.2.1混凝土受壓側(cè)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系0.0006Strain圖2.2.2混凝土受拉側(cè)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系表3.混凝土材料特性一覽表試件CaseACaseBCaseC拉伸強度ft（MPa）38.3237.8337.83抗壓強度f（MPa）e2.

7、982.812.81彈性模量E（MPa）278322685226852混凝土本構(gòu)模型采用的是混凝土損傷模型，受壓側(cè)單軸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖2.2.1所示，采用的是日本道路橋規(guī)范中的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，該模型能夠考慮箍筋和外包鋼板對內(nèi)部混凝土產(chǎn)生的約束效應(yīng)影響，但達到抗壓強度后不考慮應(yīng)力軟化現(xiàn)象，主要是因為采用混凝土受壓側(cè)的應(yīng)力軟化曲線后，一方面導(dǎo)致求解的收斂性變得困難，另一方面試件達到極限承載力后荷載下降加快，與試驗結(jié)果中出現(xiàn)的較長荷載-位移曲線平行段（即，隨著位移增加，試件承載力基本保持不變）不符。受拉側(cè)單軸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用的是清華大學(xué)過鎮(zhèn)海教授推薦的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，其表達式如下（參見圖2.

8、2.2）：x=,y=（2.i）ft,pt當(dāng)x1時：(2.3)xa(x1)1-7+x式中：為混凝土達到抗拉強度時的應(yīng)變；f為混凝土抗拉強度。參數(shù)a隨著混凝土抗t,pt拉強度的增大而增大，表達式為：(2.4)a=0.312f2t損傷模型中的膨脹角、不變量應(yīng)力比、粘性系數(shù)等參數(shù)采用的是Abaqus默認值。圖2.2.3示公路橋規(guī)范V抗震設(shè)計橋編建議的混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，該模型以箍筋配筋率（p）為參數(shù)考慮箍筋對混凝土的約束效應(yīng)，認為混凝土抗壓強度與極限應(yīng)變隨箍筋s配筋率發(fā)生變化?；炷量箟簭姸入S箍筋配筋率的增大而提高，超過最大應(yīng)變后考慮軟化現(xiàn)象。圖2.2.3混凝土的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系（公路橋規(guī)范V抗震設(shè)計

9、橋編）混凝土的應(yīng)力一應(yīng)變曲線由以下公式確定。11(-c)n-1nccOE()ccdesccc(0)ccc()ccccu(2.5)(2.6)(2.7)(2.8)E11.2f(2.9)cc*0.2ocu十ccccEJdesdesPOssy（夕彳I地震動）（夕彳地震動）(2.10)4(A+s*t*k)phsd*s/eeeoeeeoeeeeop?02357902577000-U765543ZZS2.s.7q.3.59.2.s.SJ3q.58.7.7.tf.s4t.4.3.2.2.7.3.e*+M苫_La一圖411CaseA的主拉應(yīng)變云圖ErMax.Principal（平均:75%）R+2.246e-0

10、2+1.142e-02M-+1.038e-02+9.346e-03+8.3O8e-O3+7.269e-03W-+6.231e-O3+5.192e-03-+4.154C-O3+3.115e-03鬥+2.077e03_-+1.038e-03_1-+O.OOOe+OO圖412CaseB的主拉應(yīng)變云圖E,Max.In-PlanePrincipal（平均:75%）R+3.766e02+3.452e-O2+3.138e-02+2.824&-O2+2.510e-02+2.L96e-O2W-+1.882e-02+1.568e-O2+1.255e-02-+9.4O6e-03Pt+6.267e-03_-+3.12

11、8e-031_1-1.081e-054.2主壓應(yīng)變云圖（側(cè)向位移為30mm處）EtMin.In-PianePrincipal（平均:75%）+7.64Se-05-5.OO2e-Ol.O77e-O3-1.653e-03-2.23Oe-O3-2.807e-033.383e03-3.960e-03-4.537e-03-5.113e-03-5.690e-03-6.267e-03-6.843e-03FMantV：S：E圖4.2.3CaseC的主壓應(yīng)變云圖15山丨II444333333333-0000000000000yeeeeeeeeeeee77a6785297azcc5.O567za70447036I

12、-5258.2.2.2.2Z23.3.3.圖4.2.1CaseA的主壓應(yīng)變云圖圖4.2.2CaseB的主壓應(yīng)變云圖433333333333-0OCOOOOOOOOOU?e0eeeeceeteeee987765533297532975329/.7.9.?.9J.5.2.0.8.6.4.2.9-S3.2.2.2.3.4.5.5.6.7.S.&4-4.3剪應(yīng)變云圖（側(cè)向位移為30mm處）E,E12（平均:75%）+7.955e-O3+7.178e-03+6.4QOe-O3+5.622e-03+4.845e-03+4.067e-03+3.289e-03+2.512e-03+1.734G-03+9.56

13、2e-04+1.785e-04-5.99?e-04-1.377e-03圖4.31CaseA的剪應(yīng)變云圖實EI17圖4.3.2CaseB的剪應(yīng)變云圖E,E12（平均：75%）圖4.3.3CaseC的剪應(yīng)變云圖3.5豎向正應(yīng)力qy彩色云圖（側(cè)向位移為30mm處）SrS22（平均:75%）S,S22（平均:75%）圖4.4.1CaseA的縱向正應(yīng)力oy彩色云圖+8.124e00+3.LL0e+00-1.903e+00-6.917e+00-1.193e+Ol-1.694e+01-2.196e+01-2.697e+01-3.199e+01-3.700e+01-4.201e+01-4.7O3e+Ol-5.

14、204e+01圖4.4.2CaseB的縱向正應(yīng)力oy彩色云圖圖443CaseC的縱向正應(yīng)力oy彩色云圖4.5主拉應(yīng)變矢量圖（側(cè)向位移為30mm處）E,Max.In-PlanePrincipalE,Max.In-PlanePrincipal+1.24Se-02+1.194e-02+1.142e-02+1.090e-02+l.O37e-O2+9.851e-03+9.329e-03+8.807e03+8.285e-03+7.763e-03+7.21e-03+6.719e-03+6.197e-03+5.675e03+5.153e03+a.631e-03+.109e-03+3.587e-03+3.065

15、e03+2.543e-03+2.021e-03+1.499e-03+9.765e-04+4.545e-04-6.760e-05圖451CaseA的主拉應(yīng)變矢量圖圖452CaseB的主拉應(yīng)變矢量圖E,Max.In-PlanePrincipal圖4.5.3CaseC的主拉應(yīng)變矢量圖19E,Min.In-PlanePrincipal4.6主壓應(yīng)變矢量圖（側(cè)向位移為30mm處）E,Min.In-PidnePrincipal+2.799e-04-l.L28e-0-4.054e-04-6.980e-04-9.906e-04-1.283e-03-1.576e-03-1.869e-03-2.2.61e-Q3-

16、2.454e-03-2.74e-03-3.039e-03-3.332e-033.624e-03-3.917e-03-4.210e-03-4.502e-03-.795e-03-5.087e-03S.380e03-5.673e-03-5.965e-03-6.258e-03-6.551e-03-6.843e-03圖461CaseA的主壓應(yīng)變矢量圖圖4.6.2CaseB的主應(yīng)變矢量圖E,Min.In-PlanePrincipal+3.799e-04-2.271e-05-4.253e-04-8.279e-04-1.231e-03-1.633e-03-2.036e-03-2.438e-03-2.8416-

17、03-3.243e-03-3.646O-03-4.049e-034.452e-03-4.854e-03-5.256e-03-5.659e-03-6.Q62e-Q3-6.34e-03-6.867e-03-7.269e-03-7.672e-03-8.075e-03-8.477e-03-8.880e03-9.282e-034.7鋼板Mises應(yīng)力云圖（側(cè)向位移為30mm處）23S,Mises（平均:75%）圖4.7.1CaseB的鋼板Mises應(yīng)力云圖+2.422e+02+2.213e+02+2.OL4e+O2+1.8L5e+02+1.6L7e+O2+1.4L8e+02+1.2L9e+02+1.02

18、0e+02+8.2L6e+01+6.228e+01+4.241e+01+2.253e+01+2.654g+00圖4.7.2CaseC的鋼板Mises應(yīng)力云圖4.8鋼筋軸向應(yīng)力云圖（側(cè)向位移為30mm處）圖481CaseA的鋼筋軸向應(yīng)力云圖S,S11（平均:75%）圖482CaseB的鋼筋軸向應(yīng)力云圖圖4.8.3CaseC的鋼筋軸向應(yīng)力云圖5總結(jié)本文通過基于平面應(yīng)力模型的彈塑性分析方法，對三種不同工況下鋼筋混凝土橋墩進行極限承載力分析，研究采用不同鋼板加固方式的差異。得出的主要結(jié)論如下：(1) 由數(shù)值模擬得出的荷載-位移曲線與試驗結(jié)果相比較，無論是初始彈性剛度、還是橋墩的極限承載力，都與試驗結(jié)果吻合一致。橋墩達到極限承載力后，表現(xiàn)出良好的延性能力。(2) 經(jīng)外包鋼板加固后的鋼筋混凝土橋墩的極限承載力可以得到一定的提高，而提高的程度與鋼板和基礎(chǔ)的連接方式有很大關(guān)系，其中CaseB較CaseA的極限承載力提咼了約40%,而CaseC僅比CaseA提高了約5%。(3) 橋墩經(jīng)外包鋼板加固后可有效縮小在混凝土抗拉側(cè)裂縫開展的范圍。(4) 橋墩經(jīng)外包鋼板加固后可有效縮小混凝土中鋼筋屈服的范圍。(5) 雖然同樣采取外包鋼板加固方式，但由于CaseB、CaseC與基礎(chǔ)的連接方式