型钢浮石混凝土组合双向板破坏机理探讨范文

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论文字数:43255 论文编号:sb2021051809345835565 日期:2021-06-05 来源:硕博论文网

本文采用浮石混凝土和型钢龙骨作为主要受力构件组合形成型钢浮石混凝土组合双向楼板,并对其在竖向均布荷载作用下的破坏机理进行分析。为了研究型钢浮石混凝土组合双向楼板的破坏机理,采用 ABAQUS 建立了一型钢浮石混凝土组合双向楼板的有限元模型,在竖向荷载作用下研究组合楼板的受力模式和变形特性,并考虑楼板厚度、型钢龙骨间距、型钢壁厚和型钢高度对型钢浮石混凝土组合双向楼板的受力性能的影响。根据有限元分析的结果并结合结合材料力学和弹性力学的基本理论对型钢浮石混凝土组合楼板的变形和承载力进行理论分析,结合混凝土规范,给出型钢浮石混凝土组合楼板的变形的抗弯承载力的计算公式。

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义
随着世界范围内城市化进程的不断发展,越来越多的建筑、土木水利工程和桥梁等土木建筑的兴建,大量的钢筋混凝土的开采和使用极大的消耗了自然资源,并对自然环境造成了一定程度的损坏。特别是混凝土水泥的制作过程中,不仅需要消耗大量的生石灰、水等等,还会对周围的自然环境产生较为强烈的破坏。加上人类建造的钢筋混凝土房屋具有一定的使用年限,使用年限后必然造成越来越多的钢筋混凝土建筑物不断被拆除,产生大量的建筑垃圾,会对自然资源造成极大的二次破坏。
为了合理化的利用自然资源,并极大的改善生产和制作方式,国家大力在发展基于绿色建筑的新的生产材料和方式。国家十三五规划指出,我国要大力发展绿色经济的建筑。传统的水泥和混凝土的生产方式必然需要注入新的生产活力。
浮石是一种广泛存在于火山下风侧地区,随着火山喷发与外界空气和水汽结合之后在温度和压强作用下产生的多孔状玻璃质岩石。浮石是一种呈现褐色、红褐色或白色的表面粗糙的空隙结构,其主要成分与砂石的主要成分一致,但是由于在火山作用下,浮石具有空隙多、吸声、容重小、吸水率大和导热系数小的优点,同时他具有造价低、开采容易的特点。浮石主要分布在火山区域,在我国北方的黑龙江、内蒙古及东北地区具有广泛的分布,目前我国正在开采的浮石储量估计约 20 亿立方米,主要分布在黑龙江、吉林省安图、内蒙古乌兰哈达等地区[1]。
浮石以其良好的性能已经应用在墙体、保温强度、玻璃集料等领域,主要作为非承重构件的制作原料之一。近年来,相关学者针对易于开采且造价低的优点将其作为混凝土材料形成浮石混凝土进行受力和实际应用研究,并取得了一定的研究成果。本文主要以浮石混凝土为研究对象,结合薄壁型钢组合成型钢浮石混凝土组合楼板,对其受力性能和双向破坏的机理进行研究。
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1.2 浮石混凝土的国内外研究现状
浮石是由于火山造成的多空隙结构,具有空隙多、吸声、容重小、吸水率大和导热系数小的优点,与普通碎石相比,浮石具有造价低、开采容易的特点,因而广泛应用于建筑工业,医药和化工领域。浮石主要分布在火山区域,在我国北方的黑龙江、内蒙古及东北地区具有广泛的分布,主要分布在黑龙江、吉林省安图、内蒙古乌兰哈达等地区。目前相关学者采用浮石为原料制作了多个浮石混凝土对其力学性能进行研究。
薛慧君等[1]通过对浮石的形成和特性开展进行研究,讲述浮石的形成、应用和基本特性,并描述了各种类型的浮石混凝土的基本特点及其在实际工程中的应用,同时结合浮石混凝土的基本力学特征和耐久性特征,详细了描述了国内外关于浮石混凝土的研究进展。
刘倩[2]采用试验的方法对浮石混凝土的应力应变曲线进行研究。首先利用浮石配置了多个强度等级为 C30 的浮石混凝土试件,28 天龄期后对其进行立方体抗压强度试验。试验结果表明,浮石混凝土的破坏与普通混凝土不一样,浮石混凝土受压破坏时整个断裂面贯穿浮石骨料,最终呈现倒八字形的破坏形态。立方体抗压强度的应力应变曲线表明,浮石混凝土的应力应变曲线在上升端基本与普通混凝土一致,曲线的变化趋势一致,但在下降段的离散型较大。作者根据应力应变曲线拟合得到了浮石混凝土的受压应力应变曲线公式。
内蒙古工业大学的王萧萧[3]等人以内蒙古的天然浮石为原料,制作了 LC30 和LC35 的浮石混凝土试件,采用试验的方法对试件进行立方体抗压强度、劈裂抗拉试验、弹性模量试验得到天然浮石混凝土的立方体抗拉强度、立方体抗拉强度、弹性模量和泊松比。在此基础上,还得到不同龄期的混凝土试件的力学参数。研究表明,随着龄期的增长,浮石混凝土的抗压强度和抗拉强度随之间变化呈线性变化,浮石混凝土的弹性模量和泊松比均低于普通混凝土。

图 2-7 钢材本构模型
图 2-7 钢材本构模型

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第二章 ABAQUS 有限元分析基本原理

2.1 前言
本章主要介绍采用 ABAQUS 有限元进行型钢浮石混凝土组合双向板破坏机理研究的基本理论及方法,为后续的有限元分析提供一定的理论基础。ABAQUS 作为世界上通用的大型结构有限元软件,在实际土木建筑工程领域中具有非常广泛的应用,特别是在进行复杂非线性有限元分析中具有良好的高效性和精确度。本章主要结合型钢浮石混凝土组合双向楼板的有限元建模,详细阐述采用 ABAQUS 进行有限元分析的基本过程和单元模型选取、非线性参数设置,为后续的有限元分析提供理论基础。
有限单元法是一种将整体结构模型离散为小单元进行求解的数值计算方法,其主要的思想是将整体结构模型以一定的理论离散为符合要求的小单元,将小单元的位移整合形成刚度矩阵进行求解,最终得到整体结构的变形、应变和应力的计算方法。有限单元法具有理论清晰、可操作性强和精度较高的特点,在建筑、机械、航天航空、船舶等工业领域中具有广泛的应用。目前,国际上应用较为广泛的有限元单元法计算商业软件有ABAQUS、ANSYS、ADINA、MSC等等,其中ABAQUS作为以求解非线性问题而著称,在世界工程领域具有非常广泛的应用。ABAQUS以其求解强非线性能力强的特点,在结构分析、热力学、流体力学等领域适用性强,在各种工业领域的应用非常广泛。ABAQUS在结构分析领域,可以用来求解整体结构的力学分析,如结构整体非线性分析、大震弹塑性时程分析、模态分析等,也可以用来求解精细有限元的非线性分析,如节点有限元分析、接触分析等等。ABAQUS在建筑结构领域的主要特点有:
1)非线性求解能力强。在传统的结构设计中,通常为了简化计算对结构的模型和计算作出了一定的假定。通常假定材料为弹性的,结构在整个受力过程中均处于弹性阶段,因而得到的内力和变形均为弹性假定的结构。但实际工程并不是所有的结构受力状态均处于弹性状态,作为实际分析和模拟中,有必要对弹塑性状态的受力进行分析和模拟。ABAQUS具有强度的求解非线性的计算模块,能够快速准确的求解结构计算中的材料非线性、几何非线性以及边界非线性等强非线性问题。ABAQUS还具有良好的求解动力弹塑性分析的计算模块,能够高效而准确的模型结构在大震作用下的响应,在结构设计和研究中具有广泛的应用。
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2.2 ABAQUS 有限元分析基本原理
2.2.1 单元模型
在 ABAQUS 中[42~44],提供了丰富的单元类型进行不同结构的有限元分析。通常在结构分析中,针对不同的计算模型和假定,需要采用不同的计算单元。通常将结构计算领域的单元类型分析一维杆系单元、二维壳单元和三维实体分析。一维杆系单元同样应用于结构整体分析,主要用于模拟梁、柱、支撑等单元构件,并对杆系单元定义不同的截面;二维单元主要用来模拟剪力墙、楼板等平面构件,在ABAQUS中,包括S3R和S4R等单元,三维实体单元主要用来模拟更加复杂的构件,包括在精细有限元中模拟实体等。不同的单元可以应用于不同的实际求解状态,但需要综合考虑整体模型的大小、单元的精度、计算的时间和成本等等。
型钢浮石混凝土组合双向楼板主要包括型钢龙骨和浮石混凝土,其中型钢龙骨嵌入到浮石混凝土中。为了更好的模拟型钢浮石混凝土组合双向楼板的受力性能,本文采用更加精确的单元进行有限元分析。在型钢浮石混凝土组合双向楼板的有限元建模中,采用实体单元 C3D8R 来模拟混凝土结构,该单元运用八节点线性减缩积分算法进行计算,在复杂应力状态下不会出现自锁等计算问题,能够很好的模拟混凝土的受力状态。在有限元中,采用 Embeddedelement 功能将整体钢龙骨嵌入到浮石混凝土实体单元中,假定两种间共同作用,不考虑轻钢龙骨和浮石混凝土之间的粘结滑移,以此来模拟轻钢龙骨和浮石混凝土的共同作用。

图 2-1 混凝土材料考虑损伤的受拉本构关系
图 2-1 混凝土材料考虑损伤的受拉本构关系

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第三章 型钢浮石混凝土组合双向楼板破坏机理及参数分析 ·························15
3.1 概述 ························15
3.2 型钢浮石混凝土组合双向板的建模 ·····················15
第四章 型钢浮石混凝土组合楼板极限承载力理论计算··················57
4.1 前言····························57
4.2 组合楼板的计算的基本假定·······················57
第五章 结束语 ····················67
5.1 主要工作与结论·····················67
5.2 不足和展望··············68

第四章 型钢浮石混凝土组合楼板极限承载力理论计算

4.1 前言
浮石混凝土作为一种性能良好、质量较轻的混凝土材料,将轻钢龙骨作为内部的型钢组合形成的型钢混凝土组合楼板的受力性能和整体性能较好。本章结合上述有限元分析得到的基本性能,结合材料力学和弹性力学的基本理论,在有限元分析的基础上,对型钢浮石混凝土组合楼板的变形和承载力进行理论分析,结合混凝土规范,给出型钢浮石混凝土组合楼板的变形的抗弯承载力的计算公式,为该类结构的结构设计分析提供理论依据,为其的实际应用提供一定的基础。
由上述分析可知,在初期及破坏之前的阶段,组合楼板均处于弹性阶段;由于混凝土的开裂强度较低,混凝土开裂后,开裂的混凝土退出工作,截面的内力发生重分布,拉区的应力主要由型钢承担,受拉区的混凝土在开裂时已经表现一定的非线性。此时,随着荷载的进一步增大,中和轴随之变化,混凝土的受压区高度逐渐增加,受拉区的型钢翼缘开始发生屈服。但此时整个受力过程中组合楼板的截面符合平截面假定,构件基本处于弹性工作状态。
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第五章 结束语

5.1 主要工作与结论
本文采用浮石混凝土和型钢龙骨作为主要受力构件组合形成型钢浮石混凝土组合双向楼板,并对其在竖向均布荷载作用下的破坏机理进行分析。为了研究型钢浮石混凝土组合双向楼板的破坏机理,采用 ABAQUS 建立了一型钢浮石混凝土组合双向楼板的有限元模型,在竖向荷载作用下研究组合楼板的受力模式和变形特性,并考虑楼板厚度、型钢龙骨间距、型钢壁厚和型钢高度对型钢浮石混凝土组合双向楼板的受力性能的影响。根据有限元分析的结果并结合结合材料力学和弹性力学的基本理论对型钢浮石混凝土组合楼板的变形和承载力进行理论分析,结合混凝土规范,给出型钢浮石混凝土组合楼板的变形的抗弯承载力的计算公式。主要结论有:
1)型钢浮石混凝土组合楼板在荷载整个受力过程中,型钢浮石混凝土组合楼板有开裂前的弹性状态在开裂后处于非弹性状态,之后发展到型钢局部屈服的弹塑性状态,最后达到极限承载力。在整个受力和变形过程中其变形和应力呈现明显的双向弯曲变形状态。
2)楼板厚度的增加对组合楼板的竖向承载力提高效果最明显。随着楼板厚度的增加,型钢浮石混凝土组合楼板的承载力呈几何倍数的增大。随着型钢龙骨间距的增大,型钢浮石混凝土组合双向板的承载力逐渐降低,变形能力也降低。随着型钢壁厚的增大,型钢浮石混凝土组合双向板的承载力逐渐增加,其变形能力也随之增加。 随着型钢龙骨高度的增大,型钢浮石混凝土组合双向板的承载力逐渐降低,变形能力变化基本不大。
3)楼板厚度的增加对组合楼板的竖向承载力提高效果最明显。在楼板厚度一定的情况下,增加型钢间距会降低组合楼板的承载力,变形能力也降低。在楼板厚度一定的情况下,增加型钢翼缘厚度对提高组合楼板承载力提高效果最明显。
参考文献(略)


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