HRB 600 級鋼筋高強混凝土梁受彎性能數(shù)值模擬分析

姜立偉，李成飛，段亞茹，陳 康

（北京中建建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100076）

當(dāng)今時代，建筑結(jié)構(gòu)飛速發(fā)展，結(jié)構(gòu)大型化趨勢明顯，國際上均開始采用焊接性能更好且強度更高的高強鋼筋[1]。高強鋼筋不但可以減少鋼筋的使用量，還可以節(jié)省施工成本，同時對于環(huán)境保護也提供助力。我國在《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB 50010—2010 中也倡導(dǎo)使用高強高性能的鋼筋，并在《鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋》最新修訂稿中增加了HRB600 級鋼筋。但由于缺乏相應(yīng)的基礎(chǔ)性試驗研究，直接影響了HRB600 級鋼筋在工程中的應(yīng)用。目前我國對于高強鋼筋的研究主要集中在HRB500 級，而混凝土等級則普遍集中在C70 以下，兩者強度相較于發(fā)達國家而言，均明顯偏低。國內(nèi)對于高強鋼筋混凝土梁的研究大部分采用的都是普通級別的混凝土，如趙進階等研究500 MPa 細(xì)晶粒鋼筋混凝土梁的受彎性能試驗中[2]，混凝土采用C50 級別。葛文杰等進行400 MPa 與500 MPa 細(xì)晶粒高強鋼筋配置的高強混凝土梁在抗彎性能試驗中混凝土等級采用C30[3]。戎賢教授等對配置600 MPa 級鋼筋的C50～C60 混凝土梁和部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁的受彎性能進行了研究[4-5]。湖南大學(xué)[6]、鄭州大學(xué)[7]與安徽工業(yè)大學(xué)[8]等進行的高強鋼筋混凝土梁受彎試驗中，混凝土等級同樣偏低?？梢钥闯鰧τ谕瑫r采用高強混凝土的梁研究還是非常少的，如果同時采用高強混凝土，混凝土與鋼筋的高強是否可以充分發(fā)揮，還需要以后的研究結(jié)果來說明。尤其是對HRB600 級鋼筋混凝土構(gòu)件的研究資料十分稀少，計劃對HRB600 級鋼筋高強混凝土受彎構(gòu)件的性能進行研究，揭示其破壞機理與受彎性能特點，為以后的研究與工程應(yīng)用提供參考。

為了優(yōu)化設(shè)計參數(shù)對試驗的影響，筆者利用ABAQUS 有限元軟件建模，與試驗結(jié)果進行對比，并分析了混凝土強度、縱筋強度、縱筋配筋率對HRB600 級鋼筋高強混凝土梁受彎性能的影響。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計

HRB600 級鋼筋高強混凝土梁受彎試驗選自北京工業(yè)大學(xué)張建偉教授已完成的試驗[9]，試驗以混凝土強度等級、鋼筋強度等級、配筋率、保護層厚度、縱筋直徑為主要變化參數(shù)，共設(shè)計10 根混凝土梁，具體參數(shù)見表1。試件的配筋情況如圖1 所示，箍筋為HPB300 級鋼筋，架立筋為HRB600 級鋼筋。材料力學(xué)性能、加載方式及測點布置參照文獻[9]。

表1 試件設(shè)計參數(shù)

2 有限元模型

2.1 材料本構(gòu)關(guān)系

本模擬試驗混凝土本構(gòu)關(guān)系采用Hongnestad的數(shù)學(xué)模型，該模型的上升段為二次拋物線，而下降段為斜直線，直到受壓的極限應(yīng)變。

數(shù)學(xué)表達式為：

為了方便模型的建立，鋼筋采用等向彈塑性模型，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用“雙直線”的完全彈塑性模型，泊松比取0.3。

為了能更加準(zhǔn)確的模擬整個試件的加載過程，模擬時材料的強度均采用實測強度。

2.2 模型建立

網(wǎng)格劃分時混凝土采用8 節(jié)點三維積分實體單元C3D8R，鋼筋采用三維桁架單元T3D2，通過切割構(gòu)件模型，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)劃分網(wǎng)格。

為了保證計算的精確性和模擬計算可以收斂，將網(wǎng)格劃分成50 mm×50 mm，網(wǎng)格劃分見圖2。

與文獻[9]中試驗相同，模擬中也采用三分點的單調(diào)加載方式，通過向三分點處的參考點施加豎向位移進行加載。模型底部的參考點約束為一端鉸接，一端剛接，并設(shè)置加載鉸。鋼筋混凝土之間采用Embed 約束，參考點與加載鉸表面采用Coupling 約束，加載墊板與混凝土試件間采用Tie 約束。

3 設(shè)計參數(shù)影響分析

為了對HRB600 級高強混凝土梁的受彎性能進行深入研究，對影響其性能的主要參數(shù)進行了分析，本文對文獻[9]中的混凝土強度、縱筋配筋率、縱筋強度等參數(shù)進行了深入模擬分析。

3.1 混凝土強度

文獻 [9]中關(guān)于混凝土強度等級設(shè)計了C40，C60，C80，C100 四個等級，參數(shù)變化能夠較系統(tǒng)地分析混凝土強度對HRB600 級鋼筋高強混凝土梁受彎性能的影響，不再多添加新的參數(shù)模型，以試驗為基礎(chǔ)，對 B1，B2，B3，B4 四個模型進行有限元分析，荷載-位移曲線對比如圖3 所示。

由圖3 可以發(fā)現(xiàn)，彈性階段內(nèi)，相同荷載作用下，4 個模型的位移相近；隨著混凝土強度的增大，模型的極限承載力略有提高，但不明顯。

3.2 縱筋配筋率影響

為了進一步研究不同縱筋配筋率對HRB600級鋼筋高強混凝土梁的受彎性能影響，在文獻[9]試驗的基礎(chǔ)上，增加了1 個模型B11，模型參數(shù)見表2，B11 模型除了配筋率與B3 模型不同外，其他參數(shù)均相同。

表2 模型設(shè)計參數(shù)

配筋率分別為1.06%，1.69%，2.17%，2.53%的4個模型 B3，B6，B11，B7 的荷載-位移曲線如圖 4 所示。

配置不同縱筋配筋率的4 個模型，在彈性段內(nèi)，隨著配筋率的增高，模型的剛度越大，相同荷載下，位移越??；隨著縱筋配筋率的增大，模型的極限承載力提高十分明顯，當(dāng)配筋率達到2.53%時，模型呈現(xiàn)出超筋梁的破壞形態(tài)，與試驗結(jié)果一致。綜上可知，縱筋配筋率對HRB600 級鋼筋高強混凝土梁的剛度及承載力有很大影響。

3.3 縱筋強度影響

為了進一步研究不同縱筋強度對HRB600 級鋼筋高強混凝土梁的受彎性能影響，在試驗文獻[9]的基礎(chǔ)上，增加了1 個模型B12，模型參數(shù)見表3。B12 除了縱筋強度為HRB500 級外，其他參數(shù)與B3，B9 模型均相同。

縱筋強度等級分別為 HRB400，HRB500，HRB600 的 3 個模型 B9，B12，B3 的荷載-位移曲線對比如圖5 所示。

配置不同縱筋強度的3 個模型，在彈性段內(nèi)，荷載-位移曲線幾乎重合，相同荷載下，各模型的位移十分接近；隨著縱筋等級的增大，模型的極限承載力提高十分明顯，說明縱筋強度等級對HRB600級鋼筋高強混凝土梁的承載力影響很大。

表3 模型設(shè)計參數(shù)

4 結(jié)論

通過使用ABAQUS 軟件建立了10 根HRB600級鋼筋高強混凝土梁有限元分析模型，在試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進行數(shù)值模擬分析，并與試驗結(jié)果比較主要結(jié)論如下。

通過增加設(shè)計參數(shù)進行優(yōu)化模擬分析，可以發(fā)現(xiàn)隨著混凝土強度的增大，HRB600 級鋼筋高強混凝土梁的極限承載力略有提高；縱筋配筋率及強度對模型的極限承載力有較大影響，極限承載力會隨著兩者的增大顯著提高。