基于ANSYS的再生混凝土梁抗裂性能有限元分析

宋 兵，姚 琳

(1.吉林化工學院 經(jīng)理管理學院,吉林 吉林 132022；2.吉林市政府 投資建設項目管理中心,吉林 吉林 132000)

近年來，國內(nèi)外學者對于再生混凝土的研究取得了豐碩的成果，再生混凝土不僅可以處理掉部分建筑垃圾，而且還可節(jié)約天然骨料，帶來了顯著的經(jīng)濟、環(huán)境和社會效益，但是再生混凝土因為自身存在的不足，如孔隙率高、吸水性大、強度低等，而在使用過程中受到限制.為彌補再生混凝土的不足，使再生混凝土構(gòu)件在工程中得到更大地推廣和應用，綜合硅粉(SF)顆粒小、促進水泥水化、較強的火山灰活性等優(yōu)點[1-2]，以及聚丙烯纖維(PPF)抗拉強度高、延性好、耐久性好等特點[3-6]，基于ANSYS對一定再生骨料取代率下的聚丙烯纖維硅粉再生混凝土梁的開裂荷載、極限荷載、跨中撓度等進行了有限元分析，得出了二者的建議摻量，為再生混凝土梁構(gòu)件的進一步研究及推廣提供了理論基礎(chǔ).

1 試驗方案設計

經(jīng)查閱相關(guān)文獻表明，再生混凝土中硅粉(SF)的摻量為6%～8%，聚丙烯纖維(PPF)摻量不大于1.2 kg/m3，對混凝土性能提升顯著[7-8].為此，試驗控制水膠比為0.4，砂率為45%，硅粉摻量為0%和8%，聚丙烯纖維(PPF)摻量為0 kg/m3、0.6 kg/m3、0.9 kg/m3和1.2 kg/m3，再生粗骨料取代率為30%的5組混凝土，并設計5根跨度為1 500 mm，截面尺寸150 mm×250 mm的再生混凝土梁試件，其縱向受力筋直徑為12 mm的HRB335熱軋鋼筋，架立筋和箍筋直徑為8mm的HPB300熱軋鋼筋，各組混凝土試塊的測試結(jié)果見表1.

表1 各組混凝土28 d的力學性能

2 有限元模型的建立

2.1 單元類型

混凝土采用SOLID65單元模擬，鋼筋和箍筋均采用LINK8單元，為避免出現(xiàn)應力集中的問題，在試件的加載點下方和底部支座處設置150 mm×100 mm的剛性墊板，有限元模型如圖1所示.

(a) 試件網(wǎng)格劃分

(b) 鋼筋單元圖1 有限元模型

2.2 材料的本構(gòu)關(guān)系

1.鋼材的本構(gòu)關(guān)系.鋼材采用雙線性隨動強化模型(BKIN)，如圖2(a)所示.

2.混凝土的本構(gòu)關(guān)系.再生混凝土應力-應變關(guān)系上升段采用文獻[7]提出的計算模型，下降段采用文獻[9]提出的計算模型，如圖2(b)所示.

(a) 鋼材本構(gòu)關(guān)系

(b) 混凝土本構(gòu)關(guān)系圖2 材料本構(gòu)關(guān)系

3 ANSYS計算結(jié)果分析

3.1 開裂荷載和極限荷載

5組試件的開裂荷載和極限荷載如圖3所示.在加載初期，試件SF0P0的開裂荷載為19.43 kN，而SF8P0的開裂荷載較前者的提高了6.3%，隨著PPF的摻入，試件的開裂荷載顯著增大，試件SF8P0.9的開裂值達到23.66 kN，比試件SF0P0提高了21.8%，比試件SF8P0提高了14.6%.隨著荷載繼續(xù)增加，試件進入屈服階段直至破壞，當PPF摻率達到0.9 kg/m3時，試件的極限荷載達到峰值128.5 kN，比試件SF0P0提高了20.7%，比試件SF8P0提高了13.1%.

究其原因，一方面是SF的活性強，能夠促進水泥顆粒的水化，使再生混凝土變得致密，優(yōu)化了混凝土的強度指標.另一方面PPF摻入到再生混凝土試件中，纖維起到錨固的作用，拉結(jié)效應彌補了因接觸面積增大而強度降低的損失，加強了構(gòu)件內(nèi)部的聯(lián)系，增加了構(gòu)件的抗拉和抗彎強度，提高了承載能力[7].但當PPF摻量達到1.2 kg/m3時，試件SF8P1.2的開裂荷載和極限荷載較SF8P0.9均有所降低，分析因為纖維摻量大，分散不均勻，與再生混凝土接觸不好，使得再生混凝土的抗拉強度降低.

試件編號圖3 各組試件的開裂荷載和極限荷載

3.2 等效屈服應力云圖

選取2組試件的等效屈服應力云圖，如圖4、圖5所示.在加載初期，試件SF0P0最大應力出現(xiàn)在試件的跨中區(qū)域；隨著荷載的增大，最大應力出現(xiàn)在加載點處；當荷載繼續(xù)增加到屈服階段，最大壓應力出現(xiàn)在試件梁跨中的上部受壓區(qū)，這主要因為鋼筋達到屈服點后，受壓區(qū)混凝土的壓應力迅速增長直至壓碎.而試件SF8P0.9在加載初期至屈服階段的應力云圖與試件SF0P0的最大應力分布相似，但出現(xiàn)第一條裂縫的時間晚，且在鋼筋屈服后，試件SF8P0.9因為纖維的摻入，抵抗拉應力的能力逐步提高，最大應力又出現(xiàn)在試件的跨中區(qū)域，荷載繼續(xù)增大至破壞，試件的破壞時間得到延長.試件的破壞過程與文獻[10]中的試驗結(jié)果相吻合.

圖4 SF0P0各階段等效屈服應力云圖

3.3 荷載-撓度曲線分析

5組試件的荷載-跨中撓度曲線如圖6所示.可以看出，在加載初期，各組試件具有相同的荷載-撓度變化趨勢，呈線性增長；在進入屈服階段后，試件SF0P0有明顯的拐點，跨中撓度增加迅速；而隨著SF和PPF的摻入，曲線過渡平緩，沒有明顯折點.在荷載相同時，試件的撓度呈現(xiàn)顯著差異，試件SF8P0.9和SF8P1.2抵抗變形的效果比較明顯，且破壞撓度較其他試件明顯增大.由此可見，SF的摻入，提高了再生混凝土的強度和整體剛度，PPF的摻入，使得梁的抗裂性能增強、延性提高.

4 結(jié) 論

基于ANSYS有限元軟件模擬分析了不同硅粉和聚丙烯纖維摻量對再生混凝土梁開裂荷載、極限荷載及跨中撓度的影響.結(jié)果表明：

1.適量硅粉和聚丙烯纖維的摻入能提高再生混凝土梁的開裂荷載和極限荷載.當硅粉摻量為8%，聚丙烯纖維摻量為0.9 kg/m3時，試件的開裂荷載和極限荷載達到最大值，分別為23.66 kN和128.5 kN，較SF0P0均提高20%以上.

2.硅粉的摻入，提高了再生混凝土的強度和整體剛度，聚丙烯纖維的摻入，使得梁抵抗拉應力的能力提高，抗裂性能增強、延性提高.