一种新老混凝土黏结约束收缩有限元模型的构建方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种新老混凝土黏结约束收缩有限元模型的构建方法。
【背景技术】
[0002] 在混凝土结构中，混凝土的收缩是一种必然现象，是指混凝土在不受力的情况下， 因变形需产生的体积减小。当混凝土结构处于自由状态时，这样的收缩不会导致不良后果。 然而在实际的加固工程中，新老混凝土相互黏结，而老混凝土往往收缩已经基本停止，新浇 混凝土要收缩就会受到老混凝土的约束而引起拉应力。如果拉应力超过新混凝土的抗拉强 度或新老混凝土的黏结强度，就容易产生裂缝，影响结构的承载力和耐久性。因此，在设计 时需要建立一种简单实用的新老混凝土黏结收缩有限元模型，便于分析新老混凝土黏结收 缩引起的应力与变形问题。
【发明内容】
[0003] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种新老混凝土黏结约束收缩有限元模型的构 建方法，建立相应的有限元模型用以分析新老混凝土黏结收缩引起的应力与变形问题。
[0004] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种新老混凝土黏结约束收缩有限 元模型的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0005] 步骤Sl :利用ABAQUS有限元软件中的线性缩减积分单元建立新老混凝土模型；
[0006] 步骤S2 :所述新老混凝土模型中通过定义接触将新混凝土与老混凝土联系起来， 不考虑新混凝土与老混凝土之间的黏结滑移，采用绑定约束来模拟黏结；
[0007] 步骤S3 :确定混凝土的徐变系数#V /)即
[0009] 式中：t为混凝土龄期，t。为混凝土开始受荷的时刻，E(t)为混凝土 t时刻的弹性 模量，J (t，t。）为混凝土的徐变函数；
[0010] 混凝土的徐变函数采用B3模型，即：
[0011] J (t, t〇) = q!+C〇 (t, t〇) +Cd (t, t〇, ti)
[0012] 式中：Q1= 0. 6X 10 6/E2S，CQ(t, t。）为混凝土的基本徐变函数，Cd(t, t。, h)为混凝 土的干燥徐变函数，h为混凝土开始干燥收缩的时刻且t t。；
[0013] 所述基本徐变函数C。(t, t。）的表达式为：
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[0022] 上面各式中：c为混凝土的水泥用量（kg/m3)，W/c为水灰比，a/c为骨灰比，f。 为混凝土的圆柱体抗压强度；
[0023] 所述干燥徐变函数Cd (t，t。，D的表达式为：
[0027] 式中：ε sh, "为混凝土的最终收缩值，h为环境的相对湿度且0彡h彡1，
[0030] 式中：V/S为构件的体表面积比；
[0031] 步骤S4 :计算混凝土的弹性模量E⑴随龄期的变化，即：
[0033] 式中：E。为混凝土弹性模量终值，t为混凝土龄期，α、β为常数，其中β为1，α 为-0· 09 ;
[0034] 再将△ tn时间间隔内的弹性模量取为一定值，取此时间间隔内中点时刻的弹性 模量，即[=(U+U/2 = υ0.5Δ〖"时刻的弹性模量，考虑混凝土徐变的影响，将该时间 间隔内的弹性模量用混凝土的有效弹性模量来代替，即F'⑴=卩?《)/(丨+舛?，·:，其中， Mi，心)为混凝土的徐变系数；
[0035] 步骤S5 :约束收缩分析方法采用当量温差法，将收缩产生的变形换算成引起同样 大小变形所需的温度差，首先根据试验实测值拟合出新混凝土的自由收缩esh(t)的计算 式，然后将收缩换成收缩当量温差Tsh (t)，即：
[0037] 式中：α为新混凝土的线膨胀系数；
[0038] 然后将所述收缩当量温差Tsh (t)作为场荷载加载到新混凝土上，以实现新混凝土 的收缩。
[0039] 进一步的，所述步骤Sl中新老混凝土模型的单位尺寸为10mm。
[0040] 进一步的，所述步骤S2中绑定约束的接触属性用一下关键词来定义：
[0041 ] *Tie，name =〈接触属性的名称〉，adjust = yes
[0042] 〈从面名称〉，〈主面名称〉
[0043] 所述新老混凝土模型中将新混凝土的黏结面定义为从面，将老混凝土的黏结面定 义为主面。
[0044] 进一步的，所述步骤S5中当量温差法的命令流为：
[0045] ^Initial Conditions, type = TEMPERATURE
[0046] 〈节点集合或节点标号〉，〈初始温度〉，……
[0047] ......
[0048] ^Temperature
[0049] 〈节点集合或节点标号〉，〈改变后温度值〉，……。
[0050] 本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明采用弹塑性分析的方法，考虑 了新老混凝土黏结的特点及混凝土徐变等特性，并采用"当量温差法"作为约束收缩分析方 法，所得到的有限元模型既简便又与实际情况相一致，其分析结果与试验数据相比较十分 接近，可以用来分析由于新混凝土的约束收缩而产生的变形及应力分布。
【附图说明】
[0051] 图1为本发明有限元模型示意图。
[0052] 图2为本发明有限元模型变形模拟图。
[0053] 图3为本发明黏结试件的测点布置图
[0054] 图4a为本发明有限元模型测点2的计算结果与试验结果比较图。
[0055] 图4b为本发明有限元模型测点3的计算结果与试验结果比较图。
[0056] 图5为本发明有限元模型收缩应变示意图。
[0057] 图6为本发明有限元模型应力分布云图。
[0058] 图7为本发明有限元模型跨中截面正应力云图。
[0059] 图8为本发明有限元模型结面上的剪应力云图。
[0060] 图中：1-新混凝土；2-老混凝土；3-黏结面。
【具体实施方式】
[0061] 下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
[0062] 请参照图1，本发明提供一种新老混凝土黏结约束收缩有限元模型的构建方法，包 括以下步骤：
[0063] 步骤Sl :如图1所示为本发明的有限元模型示意图，利用ABAQUS有限元软件中的 线性缩减积分单元（C3D8R)建立新老混凝土模型，为了保证计算的精度所述新老混凝土模 型的单位尺寸为IOmm。
[0064] 步骤S2 :所述新老混凝土模型中通过定义接触将新混凝土与老混凝土联系起来， 不考虑新混凝土 1与老混凝土 2之间的黏结滑移，采用绑定约束（tie)来模拟黏结，所述绑 定约束的接触属性用一下关键词来定义：
[0065] *Tie，name =〈接触属性的名称〉，adjust = yes
[0066] 〈从面名称〉，〈主面名称〉
[0067] 所述新老混凝土模型中将新混凝土 1的黏结面3定义为从面，将老混凝土 2的黏 结面3定义为主面。
[0068] 步骤S3 :确定混凝土的徐变系数炉，即
[0070] 式中：t为混凝土龄期，t。为混凝土开始受荷的时刻，E(t)为混凝土 t时刻的弹性 模量，J (t，t。）为混凝土的徐变函数；
[0071] 混凝土的徐变函数采用B3模型，即：
[0073] 式中：Q1= 0. 6X 10 6/E2S，CQ(t, t。）为混凝土的基本徐变函数，Cd(t, t。，h)为混凝 土的干燥徐变函数，h为混凝土开始干燥收缩的时刻且t t。；
[0074] 所述基本徐变函数C。(t, t。）的表达式为：
[0083] 上面各式中：c为混凝土的水泥用量（kg/m3)，W/c为水灰比，a/c为骨灰比，P。 为混凝土的圆柱体抗压强度；
[0084] 所述干燥徐变函数Cd (t，t。，h)的表达式为：
[0088] 式中：ε sh, "为混凝土的最终收缩值，h为环境的相对湿度且0彡h彡1，
[0091] 式中：V/S为构件的体表面积比；
[0092] 步骤S4 :计算混凝土的弹性模量E (t)随龄期的变化，即：
[0093] E(t) = E0 (I-β e〇t)
[0094] 式中：E。为混凝土弹性模量终值（MPa)，可按规范取值，t为混凝土龄期（d)，a、β 为常数，其中β为1，a为-0.09;
[0095] 再将△ tn时间间隔内的弹性模量取为一定值，取此时间间隔内中点时刻的弹性 模量，即[ = +^)/2 = U +0.5Δ?"时刻的弹性模量，考虑混凝土徐变的影响，将该时间 间隔内的弹性模量用混凝土的有效弹性模量来代替，即五':ω=:￡·(??)/(1+.^?，0)，其中， U为混凝土的徐变系数；