挑梁下縱橫墻墻體荷載分布規(guī)律的ANSYS分析

2013-08-14 by:廣州有限元培訓(xùn)實(shí)踐中心來源:仿真在線

作者共進(jìn)行了12片挑梁下縱橫墻墻體荷載分布規(guī)律的試驗(yàn)研究,其部分研究成果見參考文獻(xiàn)1。由于挑梁下縱橫墻墻體荷載分布規(guī)律的試驗(yàn)研究所做試件數(shù)量有限,不能完全揭示不同條件下挑梁下縱橫墻墻體荷載分布規(guī)律,為此作者采用ANSYS分析軟件進(jìn)行了不同條件下挑梁下縱橫墻墻體荷載分布規(guī)律的有限元分析,從計(jì)算數(shù)據(jù)中得到了一些有益的結(jié)果,可供實(shí)際工程參考使用。

1 分析條件和對(duì)象

為了便于同試驗(yàn)結(jié)果相比較,同時(shí)也便于工程使用,作者的分析對(duì)象為1/2比例挑梁下縱橫墻墻體在不同條件下的荷載分布規(guī)律。主要分析條件和加載條件如圖1所示,“1”型混凝土分配梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20,墻體材料為:磚為MU10頁巖磚,砂漿為M5混合砂漿。計(jì)算墻體試件的基本條件是橫向墻體長度為2000mm,墻體高度為1500mm,墻體厚度為120mm;變化的參數(shù)為:鋼筋混凝土分配梁的高度分別取為24Omm、400mm、600mm;縱橫墻墻體的截面形式,有“一”字型(無縱向墻體、無分配梁)、“L”型、“丁”型、“1”型四種截面形式;縱向墻體的長度,隨縱橫墻墻體的截面型式不同而不同,如“1”型截面縱向墻體有480mm、740mm、150Omm三種不同的長度;墻體的加載方式也有三種:橫向墻體加載為1.SMPa,挑梁加載量分別為0、20、30kN。計(jì)算試件編號(hào)如表1所示。“工”型截面墻體有限元計(jì)算分區(qū)如圖2所示。

其中:1區(qū)為非挑梁端縱向墻體,2區(qū)為挑梁端縱向墻體,3、4區(qū)為縱向墻體和橫向墻體交接區(qū),5區(qū)為橫向墻體。分析單元選擇為Solid45單元,每個(gè)單元的大小為4OX40X4Omm,對(duì)表1所編的試件分別按上述三種荷載情況進(jìn)行了彈性分析,得到了各試件在三種加載條件下縱向橫向墻體各計(jì)算單元的應(yīng)力數(shù)值解。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)各試件在三種加載條件下縱向橫向墻體各計(jì)算單元的應(yīng)力數(shù)值解,作者進(jìn)行了以下工作。

2.1 繪制了挑梁下各墻體試件在上、中、下三個(gè)截面橫向墻體、縱向墻體的豎向應(yīng)力分布規(guī)律。限于篇幅,圖3(略)僅給出了在面試件在三種工況下縱橫墻墻體試件在挑梁下、墻體半高處、墻體底面三個(gè)截面縱橫墻墻體豎向應(yīng)力的分布規(guī)律的計(jì)算結(jié)果,其中:細(xì)實(shí)線表示挑梁荷在為零的計(jì)算結(jié)果、由圓點(diǎn)連成的線表示挑梁荷為20kN時(shí)的計(jì)算結(jié)果,由矩形塊連成的線表示挑梁荷為3OkN時(shí)的計(jì)算結(jié)果,其它墻體應(yīng)力分布圖見參考文獻(xiàn)2。

2.2 為了考查縱向墻體在不同位置分配橫向墻體荷載能力的大小,對(duì)上述圖示三個(gè)部位的墻體計(jì)算了各區(qū)域所占總豎向荷載的比例。限于篇幅,僅將部分“1”型試件各區(qū)域墻體所分擔(dān)的比例計(jì)算結(jié)果列于表2、3,其它墻體計(jì)算結(jié)果見參考文獻(xiàn)2。圖4(略)給出了試驗(yàn)結(jié)果與“工”型試件ANSYS計(jì)算結(jié)果的對(duì)比圖,圖4中。表示縱向墻體總長度于橫向墻體總長度之比(共公區(qū)屬橫向墻體長度),p縱向墻體荷載總分配系數(shù)。

2.3 研究了縱向墻體與橫向墻體截面組合形狀、縱向墻體長度、分配梁高度對(duì)減小挑梁下墻體應(yīng)力集中現(xiàn)象的影響。以無縱向墻體、無分配梁的橫向墻體在挑梁集中荷載為3OkN時(shí)挑梁正下方的墻體應(yīng)力為分母,其它條件下在挑梁集中荷載為3OkN時(shí)挑梁正下方的墻體應(yīng)力為分子,用,表示分子與分母之比,用a表示縱向墻體長度與橫向墻體長度之比,將不同條件下a、r,的計(jì)算結(jié)果列于表4。使用表4數(shù)據(jù),取a為橫座標(biāo),r為縱座標(biāo)。

注 : 本表為第一排測點(diǎn),橫向墻體加載為1.5MPa,挑梁加載量為30kN時(shí)的分配系數(shù)表。

通過對(duì)不同試件、三種工況條件下的縱橫墻墻體應(yīng)力分布規(guī)律、荷載分配系數(shù)的計(jì)算結(jié)果及作者所做的試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比,可得到如下分析結(jié)果:

1、ANSYS有限元計(jì)算結(jié)果總體上與試驗(yàn)結(jié)果的分布規(guī)律相吻合,但由于試驗(yàn)測點(diǎn)與有限元單元的差異,有限元分析所用挑梁與實(shí)際試驗(yàn)所用挑梁不同,使縱向墻體分擔(dān)橫向墻體荷載的比例比試驗(yàn)結(jié)果要大。

2、由于縱向墻體的存在,在橫向墻體垂直荷載作用下縱向墻體將分擔(dān)一定比例的橫向墻體荷載;當(dāng)墻體整體性好,混凝土分配梁剛度較大時(shí),縱向墻體分擔(dān)橫向墻體荷載的比例有所增加。

3、當(dāng)其它條件不變的情況下,隨著挑梁垂直荷載增加,縱向墻體分擔(dān)的總荷載增加,同時(shí)挑梁下縱向墻體分擔(dān)的荷載也增加,而另一側(cè)縱向墻體分擔(dān)的荷載減小。

4、縱橫墻墻體截面組合形式對(duì)挑梁下墻體的應(yīng)力集中現(xiàn)象有明顯的影響,由縱橫墻組成的“T”形截面對(duì)減小應(yīng)力集中現(xiàn)象最有利,而由縱橫墻組成的"L"形截面對(duì)減小應(yīng)力集中現(xiàn)象最為不利。

5、縱向墻體的存在對(duì)減小挑梁下墻體的應(yīng)力集中現(xiàn)象有利,隨縱向墻體長度的增加應(yīng)力集中幾乎呈線性減小,但減小的比例不大。

6、在縱向墻體長度不變時(shí),隨分配梁高度增加挑梁下墻體的應(yīng)力集中現(xiàn)象減弱,但當(dāng)分配梁高度達(dá)到一定高度時(shí)應(yīng)力集中減弱現(xiàn)象已不明著,故存在最佳分配梁高度問題,在本試驗(yàn)研究中建議鋼筋混凝土分配梁高度不宜超過6O0mm。

7、ANSYS分析表明:在挑梁正下方的墻體單元,隨墻體單元離應(yīng)力集中點(diǎn)距離增加后,應(yīng)力集中現(xiàn)象逐漸消失,但距應(yīng)力集中點(diǎn)的距離增加到一定距離后,墻體應(yīng)力會(huì)有所增加,反映了橫向墻體荷載下傳后在下部縱向墻體上的荷載分配系數(shù)增大。這一現(xiàn)象表明:理論上所認(rèn)為的橫向承重體系,在縱橫墻墻體中其橫向墻體的安全性是以縱向墻體分擔(dān)一定的橫向墻體荷載作為前題的,因此在砌體結(jié)構(gòu)中縱橫墻是互補(bǔ)的,不恰當(dāng)?shù)販p小橫向墻體或縱向墻體長度對(duì)砌體結(jié)構(gòu)的受力不利,特別是砌體結(jié)構(gòu)改造中在非承重墻體施加荷載作用時(shí)不考慮另一個(gè)方向傳來的荷載,將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不安全,同時(shí)可看出加強(qiáng)縱橫墻墻體的連接強(qiáng)度對(duì)結(jié)構(gòu)的安全有利。

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