環形槽應力釋放法中應力零點槽深數值計算

賈巧燕 穆新盈

0 引言

預應力混凝土構件中的有效預應力是一個不確定的參數,尤其是在在役混凝土結構中。它控制著預應力混凝土構件裂縫的形成、開展以及撓度的大小,甚至承載力。因此,對結構進行有效預應力的準確預測在性能評定中尤為重要。

1 環形槽應力釋放法

應力釋放法最早應用在測量結構構件的殘余應力,通過測量構件分割前后的位移和應變,再經換算成應力。應力釋放法廣泛應用于金屬材料特別是鋼材殘余應力的測試方面,目前正在逐步引入混凝土等材料的應力測試上。其原理是對有初始約束應力的測試構件,采用機械切割的方法使約束產生的應力被釋放,測試方法有鉆孔法,盲孔法,開槽法等。

劉永淼在環孔法測試素混凝土柱工作應力試驗中,得出了給定孔徑下應力零點的孔深。本文應用ANSYS有限元程序,編寫命令流,以梁跨中底部中心為測點,切割具有一定直徑和壁厚的環形槽,模擬測點軸向應力隨槽深不斷加深的釋放過程,進而計算出測點出現零應力的最佳槽深,探討應力零點槽深的影響因素,并試著給出應力零點槽深計算公式。

2 有限元前處理

2.1 本文結構模型

本文結構模型均為矩形截面預應力混凝土簡支梁,分別為直線力筋和曲線力筋,力筋兩端張拉。模型具體尺寸見圖1。

2.2 材料參數

本文預應力混凝土簡支梁中,混凝土彈性模量35 GPa,容重25000 N/m3,泊松比0.2,力筋彈性模量195 GPa,泊松比 0.3,面積140mm2。

2.3 結構建模方法及局部網格

根據有限元程序中單元的特性,本文采用Solid95單元和Link8單元分別模擬混凝土和力筋,直線力筋梁采用實體分割法建模,曲線力筋梁采用獨立建模耦合法建模,同時利用ANSYS中生死單元這一高級選項模擬切割過程。

3 應力零點槽深計算

文中分別模擬計算相同槽寬 t不同環形槽內徑d和不同預加力Ny兩種情形下測點軸向應力在切割過程中的變化情況,提取并記錄不同切割深度時測點處軸向應力,并繪制σ—h/d曲線圖,見圖2,圖3(在ANSYS中應力符號規定:壓應力為負,拉應力為正)。

3.1 直線力筋梁應力零點槽深計算

1)d=6cm,t=1cm,Ny=50 kN,100 kN,150 kN;

2)Ny=50 kN,t=1cm,d=6cm,9cm,12cm。

3.2 曲線力筋梁應力零點槽深計算

1)d=3cm,t=1cm,Ny=50 kN,80 kN,110 kN;

2)Ny=50 kN,t=1cm,d=3cm,4cm,5cm。

4 結語

通過模擬計算直線和曲線力筋梁測點處軸向應力在切割過程中的變化情況,可以看出以上曲線的變化趨勢相同:隨著h/d的不斷增加,即切割深度變大,測點處軸向應力由壓應力逐漸變為拉應力,中間出現應力零點,并且從中可以得出以下結論:

1)d確定后,不論Ny取何值,測點處軸向應力的釋放速度基本是相同的,都是在同一槽深處出現應力零點。2)d的大小直接影響測點處應力釋放速度。d越小,釋放速度越快,d變大則會延遲應力零點的出現。3)應力完全釋放時所需要的槽深 h計算公式為h≈(0.31～0.32)d。希望對實際工程檢測起到一定的指導意義。

[1]劉永淼.環孔法測試混凝土工作應力實驗研究[D].杭州:浙江大學碩士學位論文,2006:29-36.

[2]楊 錚.預應力混凝土結構的三維有限元分析與研究[D].杭州:浙江大學碩士學位論文,2005:29-31.

[3]張立明.Algor、Ansys在橋梁工程中的應用方法與實例[M].北京:人民交通出版社,2003.

[4]趙 曼,王新敏,高 靜.預應力混凝土結構有限元數值分析[J].石家莊鐵道學院學報,2004(3):84-88.

[5]博奕創作室.ANSYS9.0經典產品高級分析技術與實例詳解[M].北京:中國水利水電出版社,2005.