挑梁下纵横墙墙体荷载分布规律的ANSYS分析

2013-08-14 by:广州有限元培训实践中心来源:仿真在线

作者共进行了12片挑梁下纵横墙墙体荷载分布规律的试验研究,其部分研究成果见参考文献1。由于挑梁下纵横墙墙体荷载分布规律的试验研究所做试件数量有限,不能完全揭示不同条件下挑梁下纵横墙墙体荷载分布规律,为此作者采用ANSYS分析软件进行了不同条件下挑梁下纵横墙墙体荷载分布规律的有限元分析,从计算数据中得到了一些有益的结果,可供实际工程参考使用。

1 分析条件和对象

为了便于同试验结果相比较,同时也便于工程使用,作者的分析对象为1/2比例挑梁下纵横墙墙体在不同条件下的荷载分布规律。主要分析条件和加载条件如图1所示,“1”型混凝土分配梁混凝土强度等级为C20,墙体材料为:砖为MU10页岩砖,砂浆为M5混合砂浆。计算墙体试件的基本条件是横向墙体长度为2000mm,墙体高度为1500mm,墙体厚度为120mm;变化的参数为:钢筋混凝土分配梁的高度分别取为24Omm、400mm、600mm;纵横墙墙体的截面形式,有“一”字型(无纵向墙体、无分配梁)、“L”型、“丁”型、“1”型四种截面形式;纵向墙体的长度,随纵横墙墙体的截面型式不同而不同,如“1”型截面纵向墙体有480mm、740mm、150Omm三种不同的长度;墙体的加载方式也有三种:横向墙体加载为1.SMPa,挑梁加载量分别为0、20、30kN。计算试件编号如表1所示。“工”型截面墙体有限元计算分区如图2所示。

其中:1区为非挑梁端纵向墙体,2区为挑梁端纵向墙体,3、4区为纵向墙体和横向墙体交接区,5区为横向墙体。分析单元选择为Solid45单元,每个单元的大小为4OX40X4Omm,对表1所编的试件分别按上述三种荷载情况进行了弹性分析,得到了各试件在三种加载条件下纵向横向墙体各计算单元的应力数值解。

2 计算结果及分析

根据各试件在三种加载条件下纵向横向墙体各计算单元的应力数值解,作者进行了以下工作。

2.1 绘制了挑梁下各墙体试件在上、中、下三个截面横向墙体、纵向墙体的竖向应力分布规律。限于篇幅,图3(略)仅给出了在面试件在三种工况下纵横墙墙体试件在挑梁下、墙体半高处、墙体底面三个截面纵横墙墙体竖向应力的分布规律的计算结果,其中:细实线表示挑梁荷在为零的计算结果、由圆点连成的线表示挑梁荷为20kN时的计算结果,由矩形块连成的线表示挑梁荷为3OkN时的计算结果,其它墙体应力分布图见参考文献2。

2.2 为了考查纵向墙体在不同位置分配横向墙体荷载能力的大小,对上述图示三个部位的墙体计算了各区域所占总竖向荷载的比例。限于篇幅,仅将部分“1”型试件各区域墙体所分担的比例计算结果列于表2、3,其它墙体计算结果见参考文献2。图4(略)给出了试验结果与“工”型试件ANSYS计算结果的对比图,图4中。表示纵向墙体总长度于横向墙体总长度之比(共公区属横向墙体长度),p纵向墙体荷载总分配系数。

2.3 研究了纵向墙体与横向墙体截面组合形状、纵向墙体长度、分配梁高度对减小挑梁下墙体应力集中现象的影响。以无纵向墙体、无分配梁的横向墙体在挑梁集中荷载为3OkN时挑梁正下方的墙体应力为分母,其它条件下在挑梁集中荷载为3OkN时挑梁正下方的墙体应力为分子,用,表示分子与分母之比,用a表示纵向墙体长度与横向墙体长度之比,将不同条件下a、r,的计算结果列于表4。使用表4数据,取a为横座标,r为纵座标。

注 : 本表为第一排测点,横向墙体加载为1.5MPa,挑梁加载量为30kN时的分配系数表。

通过对不同试件、三种工况条件下的纵横墙墙体应力分布规律、荷载分配系数的计算结果及作者所做的试验结果的对比,可得到如下分析结果:

1、ANSYS有限元计算结果总体上与试验结果的分布规律相吻合,但由于试验测点与有限元单元的差异,有限元分析所用挑梁与实际试验所用挑梁不同,使纵向墙体分担横向墙体荷载的比例比试验结果要大。

2、由于纵向墙体的存在,在横向墙体垂直荷载作用下纵向墙体将分担一定比例的横向墙体荷载;当墙体整体性好,混凝土分配梁刚度较大时,纵向墙体分担横向墙体荷载的比例有所增加。

3、当其它条件不变的情况下,随着挑梁垂直荷载增加,纵向墙体分担的总荷载增加,同时挑梁下纵向墙体分担的荷载也增加,而另一侧纵向墙体分担的荷载减小。

4、纵横墙墙体截面组合形式对挑梁下墙体的应力集中现象有明显的影响,由纵横墙组成的“T”形截面对减小应力集中现象最有利,而由纵横墙组成的"L"形截面对减小应力集中现象最为不利。

5、纵向墙体的存在对减小挑梁下墙体的应力集中现象有利,随纵向墙体长度的增加应力集中几乎呈线性减小,但减小的比例不大。

6、在纵向墙体长度不变时,随分配梁高度增加挑梁下墙体的应力集中现象减弱,但当分配梁高度达到一定高度时应力集中减弱现象已不明著,故存在最佳分配梁高度问题,在本试验研究中建议钢筋混凝土分配梁高度不宜超过6O0mm。

7、ANSYS分析表明:在挑梁正下方的墙体单元,随墙体单元离应力集中点距离增加后,应力集中现象逐渐消失,但距应力集中点的距离增加到一定距离后,墙体应力会有所增加,反映了横向墙体荷载下传后在下部纵向墙体上的荷载分配系数增大。这一现象表明:理论上所认为的横向承重体系,在纵横墙墙体中其横向墙体的安全性是以纵向墙体分担一定的横向墙体荷载作为前题的,因此在砌体结构中纵横墙是互补的,不恰当地减小横向墙体或纵向墙体长度对砌体结构的受力不利,特别是砌体结构改造中在非承重墙体施加荷载作用时不考虑另一个方向传来的荷载,将导致结构设计不安全,同时可看出加强纵横墙墙体的连接强度对结构的安全有利。

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