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1、 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/2010年3月 陕西理工学院学报(自然科学版)Mar.2010第26卷第1期 Journal of ShaanxiUniversity of Technology(Natural Science Edition)Vol.26No.1文章编号1673-2944(2010)01-0044-04不同加载角下L形柱的承载力与延性分析柯 江(陕西理工学院 土木工程与建筑系,陕西 汉中723001)摘 要 采用Abaqus软件建立L
2、形柱的三维非线性有限元模型,分析了L形柱在不同加载角下的承载力与延性,计算结果与试验值符合良好,分析表明:加载角为135 时,承载力是最大的,延性良好;加载角为225 时,承载力是最小的,延性也最差;加载角为0 时,延性是最好的。关 键 词钢筋混凝土;L形柱;承载力;延性;Abaqus中图分类号TU312+.1文献标识码A收稿日期:2009-10-27基金项目:陕西理工学院科研基金资助项目(SLGQD0507)。作者简介:柯江(1976),男,陕西省白河县人,陕西理工学院讲师,硕士,主要研究方向为结构抗震、非线性分析等。目前,对钢筋混凝土异形柱框架结构的受力性能研究,在整体结构以及构件方面已有
3、不少成果,但尚未形成一致的结论,以致在实际工程应用当中受到一定的限制。L形截面柱在不同加载角下的正截面承载力及延性问题是工程中一个很重要的问题,目前,对其正截面承载力的研究做了一些试验,理论分析一般都是采用一些假定(比如平截面假定)编写电算程序来分析1,2;对L形柱延性的研究非常少,个别采用自编的电算程序(采用平截面假定)来分析;而对L形柱的正截面承载力及延性采用精度高的有限元分析的不多,而且一般是采用有限元分析软件Ansys,但Ansys软件较适合于线性分析,其非线性功能比较差,不但材料模型少,而且计算很难收敛36。本文将利用国际上最著名的通用非线性有限元分析软件Abaqus分析L形柱在不同
4、加载角下的正截面承载力及延性问题,计算结果可靠且精度高,并与试验结果做对比。1 计算模型根据文献1,本文建立与该试验一致的L形柱的截面尺寸及配筋,试件截面尺寸、配筋及加载方式如图1所示,混凝土与钢筋的力学指标分别见表1,表2,柱高为1 800 mm。表1 混凝土力学指标试件号单轴抗压强度(N/mm2)单轴抗拉强度(N/mm2)弹性模量(N/mm2)泊松比ZL21,3,413.51.912.371040.15ZL22,5,612.91.842.311040.15表2 钢筋力学指标直径(mm)屈服强度(N/mm2)弹性模量(N/mm2)泊松比6.5310.21.931050.2510499.32.
5、01050.25 混凝土采用Abaqus中的concrete damage plasticity model 损伤塑性模型(由于本文只是一次单 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/向加载和为加快计算速度,故没有设置损伤变量,实际为弹塑性模型),单元为实体单元C3D8R,混凝土的单轴受压应力应变关系采用Hongnestad提出的曲线,单轴受拉应力应变关系采用Kang和Lin提出的多段下降式7;钢筋采用理想弹塑性模型,单元为桁架单元T3D2,在Abaqus/CA
6、E的interation模块,用命令embed把钢筋骨架嵌入到混凝土实体中去。有限元模型如图2所示。L形柱模拟成底端固结悬臂柱,分两个荷载步施加荷载,第1荷载步在柱顶施加轴向力,第2荷载步根据加载方向在柱顶施加水平位移。图1 试件尺寸(mm)、配筋及加载方向 图2L形柱有限元模型2 计算结果2.1 与试验结果对比分析举例说明ZL21柱(加载角度为0时)的计算结果。当水平位移加载至25.6 mm时,达到极限荷载23.2 kN,此时的x方向位移云图、混凝土的最大主应力云图如图3所示。由图可见L形柱截面无扭转,最大主应力的分布也符合理论分析的结果。(a)x方向水平位移(mm)(b)最大主应力(N/m
7、m2)图3x方向水平位移云图及混凝土的最大主应力云图由于柱顶采用的是位移加载,故柱顶水平荷载的大小可根据与柱底剪力相等的关系来确定,然后绘制柱顶水平荷载与柱顶水平位移的关系曲线,其峰值点就是L形柱的极限荷载Fu,则柱底截面极限弯54第1期 柯江 不同加载角下L形柱的承载力与延性分析 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/矩M=极限荷载Fu 柱高H。表3列出了6个试件在不同加载角下的极限弯矩试验值1 与计算值对比,可以看出L形柱在不同加载角下的极限弯矩试验值与计
8、算值相差不大,最大偏差为14.8%,最小偏差为0.3%,可见Abaqus非线性计算结果与试验值符合良好,笔者也曾用Ansys分析L形柱,但计算非常难以收敛。表3L形柱在不同加载角下的极限弯矩试验值与计算值对比试件号水平力加载角轴力/kN轴压比极限弯矩/kNmM试验M计算M计算/M试验ZL2102200.28147.9641.761.148ZL221802200.29644.8550.160.894ZL233152200.28162.1062.280.997ZL241353700.47272.4565.761.102ZL252252200.29634.5037.970.909ZL26452200
9、.29646.5844.461.0482.2 不同加载角下L形柱的承载力及延性分析表3里6个试件的材料强度不是统一的,轴力、轴压比也不完全相同,不是同一根柱子,因此下面对同一根L形柱在不同方向施加水平荷载来分析其承载力与延性的特点,截面尺寸、配筋及加载方式如图1所示,其混凝土力学指标采用表1的第1行数据,钢筋力学指标采用表2的数据,轴力为220 kN,轴压比为0.281,柱高为1 800 mm。加载方向只考虑了5个角度,即0,45,135,180,225,显然等肢L形柱在90和0,270和180,315和135的承载力与延性特点是相同的。建立模型计算得出L形柱在不同加载角下的承载力与延性,其计
10、算结果见图4和表4。图4 柱顶水平荷载与柱顶水平位移的关系曲线表4L形柱在不同加载角下的承载力与延性柱编号水平力加载角Fy/kNFu/kNUy/mmUd/mmZ1019.323.210.252.85.18Z218022.928.312.440.43.26Z313529.434.610.142.84.14Z422517.421.314.541.22.84Z54520.724.916.052.73.29 表4中,Fy为屈服荷载;Fu为极限荷载;Uy为屈服位移;Ud为极限位移,取图4曲线下降段的极限荷载的0.85倍所对应点;为延性比,=Ud/Uy。分析图4,表4,可知L形柱在不同加载角下的承载力与延
11、性是不同的,加载角为135时,承载力是最大的,延性良好;加载角为225 时,承载力是最小的,延性也最差;加载角为0时,延性是最好的。64 陕西理工学院学报(自然科学版)第26卷 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/3 结 论(1)采用Abaqus软件中的混凝土损伤塑性模型(concrete damage plasticity model)分析混凝土的非线性,计算结果与试验值符合良好,计算速度快且容易收敛。(2)影响L形柱的承载力与延性的因素较多,比如加载角度
12、、材料强度、轴压比、配筋率等。本文只考虑单一因素的影响,即加载角度的不同,通过分析发现L形柱在不同加载角下的承载力与延性是不同的,加载角为135时,承载力是最大的,延性良好;加载角为225时,承载力是最小的,延性也最差;加载角为0时,延性是最好的。参 考 文 献 1 陈云霞,刘超,赵艳静,等.T形、L形截面钢筋砼双向压弯构件正截面承载力的研究J.建筑结构,1999,29(1):1115.2 王丹,黄承逵,刘明,等.异形柱双偏压构件正截面承载力试验及设计方法研究J.建筑结构学报,2001,22(5):3742.3 赵艳静,陈云霞,王玲勇.钢筋砼异形截面双向压弯柱延性性能的理论研究J.建筑结构,1
13、999,29(1):1621.4 杨溥,唐剑,陈名弟,等.钢筋砼异形柱在不同加载方向的受力性能分析J.重庆大学学报(自然科学版),2005,28(8):117121.5 张新培,陈伟,张翼.不等肢异形柱截面曲率延性分析J.四川大学学报(工程科学版),2006,38(4):4447.6 柯江,高兑现.异形柱框架结构与矩形柱框架结构受力特性比较J.建筑结构,2006,36(2):4445.7 江见鲸,陆新征,叶列平.混凝土结构有限元分析M.北京:清华大学出版社,2005.4751.8 邹翾,张强,周徳源,等.多遇地震作用下错层框架的非线性分析J.陕西理工学院学报(自然科学版),2008,24(3)
14、:2025.9 杜志刚,史承明,姜继方.钢筋混凝土框架改扩建结构设计J.陕西理工学院学报(自然科学版),2008,24(4):1922.责任编辑:谢平Analysis of bearing capacity and ductilityof L2shaped column under different loading anglesKE Jiang(Depart ment of Civil Engineering&Architecture,ShaanxiUniversity of Technology,Hanzhong 723001,China)Abstract:By adopting the
15、Abaqus,the bearing capacity and the ductility of L2shaped column underdifferent loading angleswere calculated by builting up the three di mensional finite elementmodel ofL2shapedcolumn.The calculation results were in agreement with the experi mental data.Some conclusions as followshave been reached:
16、it isof the maxi mum bearing capacity and the good ductilitywhen the loading angle is 135degrees,which it is of the mini mum bearing capacity and the worst ductilitywhen the loading angle is 225 de2grees and the best ductility when the loading angle is 0 degrees.Key words:reinforced concrete;L2shaped column;bearing capacity;ductility;Abaqus74第1期 柯江 不同加载角下L形柱的承载力与延性分析