复合受扭性能范文

复合受扭性能范文（精选3篇）

复合受扭性能 第1篇

随着大跨、高层建筑的日益增多,型钢混凝土(Steel Reinforced Concrete,以下简称SRC)在实际工程中得到了越来越广泛的运用。 相比普通钢筋混凝土,SRC的承载力更高,刚度更大,变形能力更好,这些特点使其在抗震中有着很好的表现。

生活中建筑结构造型越来越新颖,涌现很多不规则结构,但其带来的扭转问题也日益突出,且国内外对于SRC结构受扭的研究相对较少。 受扭是构件受力的一种基本形态,实际工程中不少构件受压力、弯矩、剪力和扭矩的共同作用[1,2]。 因此,对SRC复合受扭构件的研究显得十分必要。 目前, 对于SRC的研究主要是采用试验和数值模拟两种手段。试验有其结果直观、可靠等特点,但费用高且周期长,其结果受试验条件的影响也较大。 计算机技术和有限元模拟方法的发展带动了数值模拟的运用,其以诸多优势成为研究混凝土结构的重要手段。ABAQUS在非线性分析模拟中运用广泛,作为一款强大的模拟分析软件, 其可靠度得到了大家的认可。 本文在课题组试验的基础上,利用ABAQUS建立4 个SRC复合受扭构件的分析模型,将试验结果与模拟数值结果进行对比,并以轴压比、扭弯比、混凝土强度为主要研究参数,来分析各因素对受扭性能的影响。

1 型钢混凝土复合受扭试件参数

利用ABAQUS建立4 个H型钢混凝土复合受扭柱(编号为HSRCZ1~HSRCZ4)的有限元模型。 柱的截面尺寸为300mm×300mm×900mm, 顶端自由,底端与尺寸为460mm×500mm×1200mm的钢筋混凝土基础固结。 H型钢的截面尺寸为H150mm ×150mm×7mm×10mm。 柱身距柱顶250mm区域内箍筋为C8@50, 其余区域箍筋为C8@100, 纵筋采用6C12。型钢采用Q235B,其中,C表示HRB400 钢筋。柱的计算高度为820mm, 长细比为820×2/300=5.47,避免了短柱的影响。 各试件的其它主要设计参数见表1。

2 有限元模拟

2.1 单元类型的选择

根据型钢混凝土柱复合受扭时的受力特点,对于不同材料选取不同的单元类型[3,4]。 混凝土采用三维实体单元, 在受扭时其网格会发生扭曲剪切,故采用C3D8R,分析时其精度不会受到大的影响。 钢筋只在长度方向发生变形,所以采用两节点线性三维桁架单元T3D2。 由于型钢的厚度与其尺寸相比较小,故忽略其厚度,采用壳单元S4R。

2.2 材料的本构关系

2.2.1 钢筋和型钢的本构关系

钢筋和型钢本构关系均采用弹塑性双折线强化模型, 见图1。 弹性段的模量为Es, 强化段为0.01Es。 钢筋和型钢的弹性模量、 泊松比见表2。

2.2.2 混凝土的本构关系

ABAQUS提供了三种混凝土的本构关系模型,通过对比其优缺点, 并结合本文模拟对象的特点,选用混凝土损伤模型[5,6]。 对于混凝土单轴本构关系,本文采用文献[7]提出的应力-应变全过程曲线。

单轴受压应力-应变关系方程为:

式中:E0为0.4 时的割线模量,x=ε/εc;y=σ/fc*;aaaa=2.4-0.0125fc*;ad=0.157/fc*0.785-0.905。 fc*为混凝土单轴抗压强度。

单轴受拉应力-应变关系方程为:

式中:x=ε/εt;y=y=σ/ft*;at=0.312ft2= ; ft*为混凝土单轴抗拉强度。

混凝土的材料参数见表3, 混凝土损伤塑性模型参数见表4。

MPa

注: fb0为双轴极限抗压强度; fc0为单轴极限抗压强度; kc为拉伸子午面上和压缩子午面上的第二应力不变量之比;μ 为黏性修正系数。

2.3 加载及边界条件

考虑到荷载加载的方便性和模拟的真实性,建模时加入了试验中的加载装置,并对加载装置进行了简化,将其工字型截面简化为矩形截面,并提高其弹性模量,设其为混凝土的20 倍,保证试验结果不会因为加载梁的变形而受到影响。 在柱头加一圈刚性垫板,与混凝土间采用Tie方式绑定。 加载梁与柱头间的摩擦系数为0.15。 根据试验的实际情况,数值模拟中基础底面固定。在柱头设置参考点RP1,并与柱顶面耦合,在参考点上施加轴压力。 在加载梁的加载点设置参考点RP2,通过在RP2 上施加位移荷载。 试验装置见图2,有限元模型见图3。

2.4 求解控制

荷载分析步共设两步。 荷载加载分析步的初始步长设为0.1。 采用位移加载的分析步,初始步长采用0.01,并采用自动步长控制。 本次模拟位移加载将会产生较大的变形,可能会出现较大的几何非线性,故将几何非线性设为打开来降低收敛难度。

3 计算结果及分析

3.1 开裂扭矩和极限扭矩比较分析

通过用ABAQUS对四根试件进行模拟,对比分析了开裂扭矩和极限扭矩与试验数据。 试验结果与数值模拟结果对比见表5。

注:Tcr为开裂扭矩;Tu为峰值扭矩。

通过对比表5 数据,可以发现ABAQUS模拟结果和实测结果有一定的误差。 造成这些误差的原因可以归结为以下4 点:1此次ABAQUS模拟钢筋与型钢都是内置于混凝土柱中,未考虑它们与混凝土之间的黏结滑移;2模拟时的本构关系是通过过镇海模型算得,与试验材料的本构有一定的误差;3在读取开裂扭矩时,以箍筋应力突然增大、混凝土等效塑性应变(PEEQ)大于0和混凝土受拉损伤达到0.9以上综合确定,试验数据是通过观察混凝土开裂时读取的,两者存在误差;4混凝土柱在浇筑、养护过程中存在的缺陷无法在ABAQUS模拟中考虑。

与试验相比,ABAQUS无法直接显示裂缝的形成过程,更无法知道裂缝宽度等信息。但可以借助等效应力Mises云图(见图4)、等效塑性应变PEEQ云图(见图5)、混凝土拉伸、压缩损伤(DAMAGET、DAMAGEC)云图(见图6和图7),并通过分析步中每一帧的变化来分析裂缝的走势。

由图可以看出,4根柱的裂缝开展趋势和混凝土应力分布大致相同,故以试件HSRCZ-1为例。由图可知,裂缝最先出现在柱的中下部,通过改变每一帧观察到裂缝分别向上向下延伸,可以明显看到裂缝与试件纵轴线成约40°的角。由于内置型钢,扭转变形沿柱身均匀变化,型钢的协调变形使柱的延性得到提高。试验中构件复合受扭的最终破坏是由一条主斜裂缝导致,而模拟的试件在达到极限荷载时,裂缝分布均匀,多数单元达到开裂强度,这是实验和模拟间存在的差异。

3.2扭矩-扭率曲线对比分析

图8为模拟与试验扭矩-扭率曲线对比图,如图所示,由于ABAQUS中引入了混凝土损伤模型,相比其它模拟软件,其模拟的扭矩-扭率曲线有个相对较好的下降段。 在混凝土开裂前,扭矩-扭率曲线近似为直线,此为弹性阶段,模拟的曲线和试验曲线吻合良好。 混凝土开裂后,试验曲线所反映的刚度比模拟的下降得快。 这是由于试验的损伤是累积的,而模拟是通过损伤因子来控制,两者有一定的误差。

4 影响受扭性能的因素分析

影响复合受扭性能的因素有很多,本文主要讨论了不同轴压比、扭弯比和混凝土强度对构件抗扭性能的影响,见图9~图11。

4.1 轴压比

从图9 可以看出,混凝土开裂前,两曲线吻合得较好,轴压比对刚度的影响很小。 开裂后进入塑性阶段, 轴压力的作用使混凝土处于三向受力状态,混凝土强度随轴压力的增加而提高,同时轴压力降低了因扭转引起的拉应力, 延缓了裂缝的开展,因此,极限扭矩也有一定的提高。 对比下降段,此时轴压比的增加使得混凝土的塑性应变加快,延性相对降低。

4.2扭弯比

从图10可以看出,扭弯比越小表示柱受到的弯矩和剪力越大,提高了弯曲变形对于柱的破坏,也使得柱的箍筋控制柱横向变形的能力受到削弱,从而降低了型钢混凝土柱的极限扭矩。但从图上看出,后期两曲线的下降速率相差不大,扭弯比对于延性的影响比较小。

4.3混凝土强度

从图11可以看出,两曲线的走势一致。开裂前,柱的抗扭主要由混凝土来提供,所以混凝土强度越大柱的初始刚度越大。混凝土强度的提高使得柱的开裂扭矩和极限扭矩都有所增加。混凝土强度越高,其塑性变形能力就相应降低,从扭矩-扭率的下降段可以发现,混凝土强度高的其下降速率越大,延性越不好。

5 结论

(1)4 个试件ABAQUS模拟结果与试验结果表明: 开裂扭矩相差在15.9%以内, 极限扭矩相差在16.2%以内,其误差都在可接受范围内,且较为准确地反映了型钢混凝土构件复合受扭的受力性能,说明用本文所建立的数值模拟方法来分析型钢混凝土构件的复合受扭性能是可行的。

(2)ABAQUS虽然不能直接观察裂缝, 无法得到裂缝的宽度,但可以通过云图能查看裂缝的发展趋势及其分布情况。

(3)轴压比、扭弯比和混凝土强度对极限扭矩都有一定的影响,其极限扭矩均随这3 个参数的增大而有所提高。

(4)轴压比对于延性的影响相对最大,且随轴压比的增大其延性降低;提高混凝土强度会使构件延性有所下降;扭弯比的变化对构件延性的影响相对最小。

摘要：基于4个比例为1:2的H型钢混凝土柱在单调荷载下的复合受扭试验,运用ABAQUS建立相应的有限元分析模型。通过对比开裂扭矩、极限扭矩和扭矩-扭率曲线,验证了有限元分析在型钢混凝土复合受扭性能研究方面的有效性,分析了轴压比、扭弯比和混凝土强度对型钢混凝土柱复合受扭性能的影响。研究结果表明,提高轴压比可提高型钢混凝土柱的极限扭矩,但对其后期延性不利;扭弯比的减小使弯曲损伤加大,对于构件极限抗扭不利;提高混凝土强度可提高构件的极限扭矩,但后期延性变差。

关键词：型钢混凝土柱,复合受扭性能,ABAQUS数值模拟,轴压比,极限扭矩,混凝土强度

参考文献

[1]殷芝霖,张誉,王振东.抗扭[M].北京:中国铁道出版社,1990.

[2]梁书亭,朱俊,张根俞.型钢混凝土复合受力构件受扭性能的试验研究[J].工业建筑,2010,40(11):131-136.

[3]石亦平,周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详解[M].北京:机械工业出版社,2006.

[4]庄茁,张帆.ABAQUS非线性有限元分析与实例[M].北京:科学出版社,2003.

[5]张战廷,刘宇峰.ABAQUS中的混凝土损伤塑性模型[J].北京:建筑结构,2011,41(S2):229-231.

[6]V.Birtel,P.Mark.Parameterized finite element modeling of RC Beam Shear Failure[C].2006 ABAQUS Users’Conference,2006:95-108.

木塑复合材料的性能研究 第2篇

【关键词】木塑复合材料；性能；机理；优点

1.木塑复合材料概述

以木屑和废旧塑料为主要原料，经过高温混炼，再利用不同模具制成适合各种用途的板材、管材和异型材的复合材料，称为木塑复合材料。该材料的研发不仅为工业生产提供了性能良好的新材料，而且也是当代工业基础材料废物利用的最佳科研成果之一，在工业生产上的应用，有“合成木材”的美名。

木屑是木塑复合材料的主要原料之一。目前纳入国家和地方生产计划的林区和大中城市制材加工厂，每年要产生大约250万吨木屑，其中只有一小部分得到利用，大部分被丢弃，造成一定程度的环境污染和原料浪费。废旧塑料是木塑复合材料的另一主要原料。据我国轻工部门统计，2000年全国塑料制品总产量约800万吨。随着我国塑料工业的不断发展，废旧塑料制品将愈来愈多。

研究和开发木塑复合材料的生产和应用，不仅可为国民经济建设增添一种价廉而又具广阔应用前景的新材料，而且能为提高木材的综合利用率和治理废旧塑料制品的污染开避一条新的途径。这种新型复合材料在上世纪八十年代初国外已有研究成果和实际应用，我国开展该项研究则稍迟。自1984年开始立项研究，成果于1987年通过正式技术鉴定，目前已正式推广在生产部门应用，形成批量产品。

2.木塑复合材料性能的影响因素

木塑复合材料以木屑和废旧塑料为主要原材料，通过不同加工工艺成型。在实验过程中，通过调整和改变原材料或成型工艺，将所得到产品的性能进行比较，发现有明显差异。现将木屑、废旧塑料及成型工艺对木塑复合材料性能的影响进行论述。

2.1木屑对材料性能的影响及增强机理

木屑含有大量的短切纤维和木素。木纤维具有较高的机械强度和弹性，木素具有较好的硬度和刚性，它们均可作为改性剂在复合材料中起增强作用。木屑的比表面积和孔隙率都很大，使得木屑与液态树脂基体之间具有很大的接触界面。由于界面之间存在有偶极定向力、诱导偶极力和色散力，异相的复合过程便是依靠这种电场和力场的界面结合力而牢固结合。

木塑复合材料的电镜显示，PVC树脂可渗透到木材细胞腔中，进一步提高复合材料的强度和硬度。由于复合材料是呈结晶态（木纤维） 和无序态（树脂） 的多相状态，使复合材料既具有木纤维的高强度、高弹性，又具有聚合物基体的高韧性、耐疲劳等优点，因此，这种复合材料具有优良的综合性能，即力学强度良好，抗冲击强度高，热伸缩性和吸水性均比木材小，尺寸稳定性好、耐磨、耐化学腐蚀，不虫蛀，非易燃，并具有木材和塑料的双重加工特性，既可锯、刨、钉、油漆，又可挤出、压制、注塑成型。

2.2废旧塑料对材料性能的影响及改性

为降低材料成本，提高废旧塑料回收利用率，研究以废旧PVC塑料作为木塑复合材料的基体。但由于废旧塑料在使用过程中，受到空气中氧气的氧化作用，同时受光和热等外界环境影响，使聚合物分子链断裂而降解，导致废旧塑料力学性能下降。为提高复合材料的力学强度，需对废旧塑料进行改性处理或者在原料配方中加人适量的树脂。经过实验研究发现，当复合材料中PVC含量一定时，增加PVC树脂，复合材料的力学性能提高，或者换句话说，复合材料的力学强度随废旧塑料含量的增加而下降。

2.3成型工艺对材料性能的影响

木塑复合材料可以根据工业生产的实际需要加工成不同材质，如：软材、硬材、片材、板材或者管材、导型材。不同的型材和用途通过不同的成型工艺成型。硬板材通常有层压成型、压制成型和挤出成型三种不同的成型工艺。其中，在压制成型和层压成型过程中材料受到的压力要比挤出成型大。经过压制成型和层压成型的复合板材比挤出成型的板材具有较好的力学性能。从生产角度看，压制成型和层压成型都是间歇式的，而挤出成型则是连续式的，只要挤出成型的复合板材其力学强度足以满足实际需要，则应该选择挤出成型工艺，这对生产管理、提高生产效率都是有益的。

3.木塑复合材料性能增强机理

用扫描电镜对木塑复合材料进行微观形貌观察，发现木塑复合材料中，木细胞与细胞之间以及多数细胞腔中有许多闪光自点—这是PVC颗粒。它说明细胞腔中有PVC浸入、纤维与纤维之间有PVC填允，还可看到细胞腔受成型压力挤压而变形纤维致密，这是天然纤维增强复合材料所共有的特点。此外观察到排列整齐的细胞腔横断面，说明经热压复合工艺后，材料中纤维取向较为一致、定向性较强。

通过观察到的微观形貌，可以做如下增强机理分析：

3.1具有结晶结构的木材纤维素与分子无序排列的PVC共混复合的结果

共混物是以结晶态和无定形态两相存在，因此复合材料可保留这两种高聚物各自性能上的优点，使木塑复合材料具有良好的机械强度和物理性能，特别是兼具有木材和塑料的双重加工特性。

3.2木材纤维素之间的侧面联结力来源于纤维素巨分子的极性羟基之间的氢键力

羟基是亲水性基团，它能吸着空气中的水分子，致使纤维润胀，尤其因吸着水分子而减少纤维素的侧向交联键，导致强度降低。木塑共混复合材料，因纤维与纤维之间有极性聚氯乙烯分子填充，阻碍了水分子对纤维素巨分子间氢键结构的影，从而有效地阻止了水分子对材料机械强度的严重衫响，提高了材料的抗湿性能，获得较好的尺寸稳定性。

3.3树脂浸入細胞腔，提高了材料密度，增强材料硬度和冲击强度

塑化热压使木粉和树脂牢固粘结，原有各种取向的木纤维经成型工艺而呈现较好取向状态，并且使纤维致密，含有大量羟基的木纤维形成氢键结合力，提高结合强度。

4.木塑复合材料的优点和特点

木塑复合材料综合了木材和塑料的优点，并且在集成木材和塑料优点的同时克服了单一材料的不足，具有机械性能好和物理力学性能优的显著特点。此外，原材料价格低廉、成型工艺丰富，可以根据工业需要进行恰当的生产和推广。

【参考文献】

[1]杨庆贤.木/塑复合材料机械性能的评定.高分子材料科学与工程，1993，9（3）：140～143.

[2]李华.锯末/废旧塑料复合材料的开发研究.塑料技术，1990，10（1）：41～44.

型钢混凝土构件受扭性能的试验研究 第3篇

型钢混凝土 (Steel Reinforced Concrete简称SRC) 结构是把轧制或焊接型钢埋置于钢筋混凝土中, 使型钢、钢筋 (纵筋和箍筋) 和混凝土三种材料元素形成整体、协同工作以抵抗各种外部作用效应的一种结构形式。

目前对型钢混凝土构件的研究主要是关于型钢混凝土构件在轴力、弯矩、剪力或者三者共同作用下的受力性能和对构件抗震性能以及节点受力机理和构造的研究, 对型钢混凝土构件抗扭刚度的研究很少。本文通过对SRC构件在纯扭状态下的试验, 绘制了各试件的扭矩-单位扭转角曲线, 进而分析研究了试件的截面尺寸、配钢率和型钢保护层厚度、配筋率、混凝土强度等因素对型钢混凝土构件的扭转刚度和变形的影响。

1 试验设计与试验方法

本文共测试分析了2根钢筋混凝土试件、8根型钢混凝土试件。试件设计方案见表1:

试验用型钢为H175*90*5*8, 材质为Q235-B, 钢筋为8、10光圆钢筋和12、14热轧带肋钢筋;混凝土采用C30、C35商品混凝土, 材料为普通碎石 (粒径5～16.0mm) 、中砂、P.0 42.5普通硅酸盐水泥, 试验的材料性能试验主要测试混凝土的抗压强度和钢材的屈服强度及极限强度等指标, 表2、表3、表4分别为型钢、钢筋和混凝土的材料性能指标。型钢的弹性模量为

试件安装于YAW-500型电液伺服长柱试验机工作平台上, 支座形式一端为固定支座, 以将试件固定于工作平台上, 另一端为受扭试验转动支座, 按试验要求和尺寸自行设计和制作, 并将其固定于工作平台上, 试件固定端由钢板和螺栓共同提供固端约束, 自由转动端通过螺栓与加载钢臂连接, 试件连同刚臂简支安装在与试件转动中心一致的转动支座上, 以保证试件沿轴线自由转动。

由试验机千斤顶通过钢梁传递在加载刚臂上产生主动力, 与固定端形成的被动力构成扭矩, 使试件的中部实现纯扭的受力状态。具体加载示意图见下图1所示。

2 SRC扭转试验的结果与分析

各试件极限荷载和极限扭矩分析如表5所示。表中的数据表明, 内置H型型钢的组合结构受扭构件可显著地提高构件的受扭极限承载力, 对于矩形截面试件提高幅度为30%不等。

H型钢的截面大小、截面有效壁厚、试件的截面尺寸、纵筋与箍筋的配置、混凝土强度等对型钢混凝土组合构件在单独扭矩作用下的影响分析如下:

(1) H型钢的相对截面大小:

从表5可以看出, 对比两组试件RC-1, SRC-1 (1) , SRC-1 (2) 和RC-2, SRC-2 (1) , SRC-2 (2) 的极限扭矩可以看出, 配置型钢后, 试件的极限扭矩提高显著, 对于第一组, Tu, SRC-1 (1) /Tu, RC-1=1.18, Tu, SRC-1 (2) /Tu, RC-1=1.21;对于第二组, Tu, SRC-2 (1) /Tu, RC-2=1.16, Tu, SRC-2 (2) /Tu, RC-2=1.08, 同时根据上述对比数据可以看出, 对于型钢相对截面面积大的第一组试件, 其极限扭矩比第二组提高的更为明显, 从而说明, H型型钢的相对截面面积越大, 其极限扭矩提高的越明显, 对构件自身的抗扭强度贡献越大, 尤其当翼缘伸入有效壁厚范围内时, 型钢承载力比同类型构件承载力提高更为明显。

(2) 混凝土强度等级:

由于型钢混凝土组合构件的破坏主要是由斜裂缝间的混凝土被压碎造成, 当混凝土强度提高时, 构件的破坏荷载也随之提高。从上表5中, 对比仅混凝土强度不同的一组试件:SRC-1 (1) , (2) 与SRC-4的极限扭矩, Tu, SRC-4/Tu, SRC-1 (1) =1.15, Tu, SRC-4/Tu, SRC-1 (2) =1.03, 可以看出, 混凝土的强度等级的提高对型钢混凝土试件极限扭矩的提高起到一定有利的作用。

(3) 试件的截面有效壁厚:

对比仅有效壁厚不同的一组试件SRC-1 (1) , SRC-1 (2) 与SRC-2 (1) , SRC-2 (2) 的极限扭矩, Tu, SRC-2 (1) /Tu, SRC-1 (1) =1.66, Tu, SRC-2 (1) /Tu, SRC-1 (1) =1.5, Tu, SRC-2 (2) /Tu, SRC-1 (1) =1.64, Tu, SRC-2 (2) /Tu, SRC-1 (2) =1.48, 可以看出, 随着有效壁厚的增长, 试件的极限扭矩增加迅速, 试件的截面尺寸在对试件极限扭矩贡献中起的作用最大。

(4) 纵筋与箍筋的配置:

由于在混凝土开裂后, 斜裂缝间配置的纵筋与箍筋直接受力, 随着配筋率的提高, 型钢混凝土组合构件的抗扭承载力明显提高。对比配筋强度比相同但配筋率不同的一组试件SRC-1 (1) , SRC-1 (2) 与SRC-3的极限扭矩, Tu, SRC-3/Tu, SRC-1 (1) =1.23, Tu, SRC-3/Tu, SRC-1 (2) =1.12, 可以看出在配筋强度比基本相同的情况下, 提高配筋率对试件的极限扭矩提高明显。

从以上分析可以看出, 在影响型钢混凝土组合结构的抗扭承载力的因素中, 试件的截面尺寸影响最大, 配筋率影响次之, 型钢的相对截面面积影响再次, 混凝土强度等级的影响最小。

3 结论

SRC构件的极限扭矩随型钢保护层厚度的增加而增加, 但增加与SRC构件的型钢保护层厚度的增加并非呈线性关系;配筋率的影响也较为显著, 但型钢的相对截面面积与混凝土强度等级的影响则较为不明显。其影响程度的大小关系为:试件的截面尺寸>配筋率>型钢相对截面面积>混凝土强度等级。

参考文献

[1]赵世春.型钢混凝土组合结构计算原理[M].成都:西南交通大学出版社, 2003.1～2,

[2]林宗凡.钢-混凝土组合结构[M].上海:同济大学出版社, 2004年2月