基于ANSYS的钢管自密实混凝土自应力仿真分析

基于ANSYS的钢管自密实混凝土自应力仿真分析

吴现磊石建军单智周杨南华大学城建学院

摘要：钢管自密实混凝土广泛应用于各种大型工程中，为了保证钢管与混凝土两种材料紧密结合，通常要掺入一定量的膨胀剂，膨胀剂的掺入对钢管自密实混凝土产生自应力。这对于ANSYS仿真模拟带来一定困难，本文通过核芯混凝土升温来代模拟膨胀剂产生的自应力作用；并结合《C50氧化镁微膨胀混凝土的性能研究》试验数据与ANSYS分析对照结果拟合出温度升高值与膨胀剂掺量之间的关系式。

关键词：钢管自密实混凝土、自应力、ansys仿真分析

Simulation of The Self-stress of Stell Tube And

Self-compacting Concrete Based on ANSYS

Wu Xianlei ID NO. 201001090196

Abstract:The self-compacting concrete filled steel tubes are used widely in engineering stuctures,in order to guarantee steel tube and concrete,the two materials, usually closely integrated with a certain amount of expansive agent, mixed of expansive agent in steel self-compacting concrete result from self-stress. It brings certain difficulty ansys simulation.The thesis discussed how simulate the self-stess produced by expansive agent,and made reasonable analysis with the related data of Research on Properties of C50 Mangnesiun Oxide Micro-expanded Concrete.

Key words: self-compacting concrete filled steel tubes; self-stress;

0引言

钢管自密实混凝土结构是由混凝土填入钢管内而形成的一种新型组合结构。自密实混凝土作为核心混凝土应用于钢管中，在保证工程质量的同时不仅可以更好地保证混凝土的密实度，有利于防止堵泵、离析等现象，并可简化混凝土振捣工序，加快施工速度，降低混凝土施工强度和费用，还可以减少城市噪声污染[1]。因此，具有良好的工程应用前景。近年来，钢管自密实混凝土在工程中应用范围日益广泛，我国的株洲体育馆、北京南站改扩建工程、国家体育馆“鸟巢”等工程中均使用了钢管自密实混凝土，并取得了良好的技术和经济效益[2]。

在使用过程中要实现钢管与混凝土的复合效应就必须使两种材料能紧密结合，所以解决好两者的脱黏问题是钢管混凝土施工技术的关键。造成脱黏主要是由于钢管内部的混凝土硬化过程中会产生收缩，从而导致两者之间形成空腔，影响构件整天的协同受力致使构件提前发生破坏[3]。

工程中解决钢管混凝土脱黏的主要方式是在混凝土中掺加膨胀剂，通过膨胀剂的作用使混凝土在水化硬化的过程中产生体积膨胀，从而使混凝土与钢管能紧密结合。在使用膨胀剂的过程中必须控制好混凝土的膨胀值，若膨胀值过大，混凝土过度膨胀后在外部钢管的限制作用下会产生较大的自应力，控制不好则会使混凝土在硬化过程中发生破坏，从而影响整体结构安全性能[4]。这对于使用大型结构有限元分析软件ansys对其自应力进行仿真分析提出挑战。本文通过提高核心混凝土的相对温度，利用混凝土的热涨性产生自应力，与实验结果进行对比，并用matlab进行曲线拟合得到温度与膨胀剂掺量之间的关系。

1.实验分析结果

2.4 C50氧化镁微膨胀混凝土的自生体积变形

2.4.1 C50氧化镁微膨胀混凝土自生体积变形的一般规律

不同MgO掺量的混凝土自生体积变形如图4所示.外掺MgO混凝土具有良好的延迟

微膨胀性能,其膨胀量主要发生在7~90 d,并随龄期的增长而增大;膨胀速率则是早期大、后期小,在7~28 d最大. [5]

2.ansys有限元分析

2.1有限元模型建立过程

2.1.1单元的选取

①钢管的模拟

1)单元类型

钢管采用八节点实体单元Solid65单元模拟，该单元在各节点上具有三个自由

度，即是三个坐标轴方向的平移自由度。Sofid65单元可以模拟材料的塑性变形、

蠕变、膨胀、应力刚化、大变形、大应变等功能。

2)实常数

solid45单元不需要设置实常数。

3)材料属性

钢管采用Solid45单元(图4.4)模拟，Solid45单元是一种8节点六面体单元，55Solid45单元每个节点均有三个平动自由度UX，UY，UZ，该单元可以用于大变形、大应变和塑性分析。采用双线性随动强化模型(BKIN)，采用Von.Mises屈服准则和相关流动法则。钢管的弹性属性选择各向同性材料，弹性模量取实测值，泊松比取0.3。钢管的塑性属性选择双线性随动强化材料。经典的双线性随动强化选项采用双线性曲线来描述材料的弹塑性性能，曲线有两个斜率：弹性斜率和塑性斜率。由于采用了屈服准则，次项包含了包兴格效应，适用于遵守该屈服准则的初始为各向同性材料的小应变问题，这里包括了大多数的金属。需要输入的数据为材料的屈服应力和切向斜率，屈服应力取标准值，泊松比取0.283，塑性模量取0，假定为理想弹塑性材料。

②混凝土材料的模拟

1)单元类型

SOLID65单元用于含钢筋或不含钢筋的三维实体模型。该实体模型可具有拉裂与压碎的性能。在混凝土的应用方面，如用单元的实体性能来模拟混凝土，而用加筋性能来模拟钢筋的作用。当然该单元也可用于其它方面，如加筋复合材料（如玻璃纤维）及地质材料（如岩石）。该单元具有八个节点，每个节点有三个自由度，即x,y,z三个方向的线位移；还可对三个方向的含筋情况进行定义。

本单元最重要的方面在于其对材料非线性的处理。其可模拟混凝土的开裂（三个正交方向）、压碎、塑性变形及徐变，还可模拟钢筋的拉伸、压缩、塑性变形及蠕变，但不能模拟钢筋的剪切性能。有关SOLID65单元的更细节的描述请参见《ANSYS理论手册》。

2)实常数

对于Solid65单元，模拟钢管混凝土中不配筋混凝土时，不需设置实常数。

3)材料属性

弹性属性选择各向同性材料，主要包括材料的弹性模量和泊松比。混凝土弹性模量按照材料试验所测取值，弹性阶段泊松比取0.2。混凝土的单轴抗压强度和单轴抗拉强度根据我国《混凝土结构设计规范》确定。在有限元分析过程中由于个别混凝土单元的压碎容易造成单元自由度的发散，使计算无法继续进行，故在分析时关闭混凝土的压碎功能。混凝土的破坏准则采用William-Warnke五参数破坏准则。另外还需要确定的参数还有：开口裂缝剪力传递系数、闭口裂缝剪力传递系数。剪力传递系数表达的是混凝土开裂后传递剪力的能力。研究表明：为了便于解决叠代的闭合问题，开口裂缝剪力传递系数取为0.8，闭口裂缝剪力传递