基于ABAQUS的再生混凝土梁受彎性能分析

劉 陽，胡 郢

(1.武昌工學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院，武漢 430065；2.武漢理工大學(xué)道路橋梁與結(jié)構(gòu)工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070)

建筑工業(yè)垃圾的處理方法一般為填埋和堆放，對我國環(huán)保事業(yè)帶來了巨大影響。將處理后的混凝土骨料與適當(dāng)比例的新骨料混合后，制作再生混凝土，能較好的解決建筑廢棄垃圾的影響，同時能減少大量新生能源浪費(fèi)[1-3]。但對再生混凝土骨料進(jìn)行置換過程中，置換比例的選擇一直是阻礙其發(fā)展的重要因素。如何在保證足夠強(qiáng)度的前提下，選擇合理的置換率一直是科研及工程技術(shù)人員研究的重點(diǎn)[4,5]。

再生混凝土梁是實(shí)際工程中使用較多的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，對不同置換率梁的受力性能，通過試驗(yàn)已經(jīng)做了一定的分析，但試驗(yàn)存在影響因素較多，且置換材料離散性較大等不足，且在時間和造價上都有一定的缺陷，獲得一般性結(jié)論的困難較大?，F(xiàn)利用部分已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用通用有限元軟件ABAQUS建立了不同取代率的再生混凝土梁和鋼筋混凝土梁的有限元模型，對比分析其不同的受彎性能，研究不同置換率對梁受彎性能的影響，供工程及科研人員參考。

1 有限元模型的建立

選取骨料置換率分別為0、30%和75%的3根再生混凝土梁?；炷翉?qiáng)度為C35，構(gòu)造鋼筋選擇HPB300，直徑為6 mm，受拉鋼筋選擇HRB400，直徑D=18 mm。梁尺寸為2 000 mm×200 mm×120 mm，混凝土保護(hù)層厚度取20 mm。假設(shè)混凝土塑性損傷模型由拉伸或壓縮引起，鋼筋混凝土的鋼筋是單軸應(yīng)力。鋼筋及混凝土的強(qiáng)度及彈性模量，參考《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》選取，泊松比v=0.2。

1) 單元類型的選擇

(1)再生混凝土單元及墊塊：再生混凝土采用C3D8R單元，其具有計(jì)算精度較高，受其他條件影響較小的特點(diǎn)。為防止承載點(diǎn)中出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，在加載處設(shè)置墊塊，也采用C3D8R單元。

(2)鋼筋單元：該次有限元分析中縱筋、箍筋等全部采用適用于模擬剛性和剛性遠(yuǎn)高于整個結(jié)構(gòu)的T3D2單元，共三個自由度。

2) 模型的建立和加載 模型的幾何參數(shù)詳見表1。

表1 簡支梁的幾何參數(shù)

按照先混凝土單元、然后鋼筋骨架單元，最后格柵的劃分的順序建立有限元模型，其中混凝土單元和墊塊使用上述的C3D8R，鋼單元使用上述的T3D2。鋼筋骨架與墊塊、混凝土芯之間的約束分別由ABAQUS軟件中的Embedded Region命令和Tie命令執(zhí)行。混凝土和鋼筋的最終單元模型如圖1所示。加載采用力加載的方式逐級加載，根據(jù)裂縫的寬度和撓度的變化判斷是否結(jié)構(gòu)破壞，讀取位移和加載數(shù)據(jù)用于進(jìn)一步計(jì)算分析。

2 結(jié)果對比分析

1)鋼筋混凝土變形后的有限元模型 圖2所示為再生鋼筋混凝土整體梁、再生素混凝土和鋼筋骨架的變形后模型。

圖3顯示了不同置換率(0、30%和75%)下再生混凝土梁的破壞位移。對比分析可得：再生混凝土梁的撓度隨著再生骨料替代率的增多而增大。三種測試梁損壞時的具體撓度值在右側(cè)顯示，有限元模擬的位移與已有試驗(yàn)分析中跨中撓度數(shù)值近似，表明有限元分析的正確性。

2) 荷載位移曲線 再生混凝土梁跨中截面的彎曲撓度隨外荷載變化規(guī)律如圖4所示。對比分析不同置換率下的有限元結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：加載初期，由于單元的抗彎剛度較大而呈現(xiàn)線性增加的變化；隨荷載逐漸增加，直到混凝土達(dá)到拉伸極限并出現(xiàn)裂縫，其上升曲線有下降趨勢，并出現(xiàn)轉(zhuǎn)折；隨著荷載的不斷增加，開裂梁中的裂縫逐漸增多并繼續(xù)向上延伸直至破壞，梁抗彎剛度減小而梁截面的彎曲撓度逐漸增大。在建模過程中，假設(shè)各單元材料是均勻的、各向同性的，使用Embedded命令模擬鋼筋和混凝土的相互作用，由于存在與實(shí)際情況不符的可能，導(dǎo)致最終荷載和撓度的模擬結(jié)果大于測試所得。

3) 計(jì)算值與試驗(yàn)值的結(jié)果對比 表2給出了再生混凝土梁在破壞時的跨中撓度、最終承載力和開裂荷載的模擬和試驗(yàn)值。撓度和極限承載力的模擬結(jié)果高于試驗(yàn)值，而開裂荷載的模擬結(jié)果略低于試驗(yàn)值。該現(xiàn)象可能是由于ABAQUS有限元軟件模擬所用混凝土的單軸壓縮的本構(gòu)關(guān)系與試驗(yàn)之間有所差別[6]，或兩者在分析計(jì)算過程中均存在不利因素，最終影響測試結(jié)果。

表2 試驗(yàn)值與計(jì)算值的對比

3 結(jié) 論

a.再生混凝土梁的撓度隨著再生骨料置換率的增加而增大。隨著粗骨料置換率的提高，整個梁的撓度受到更大的影響，梁的抗彎性能下降，但下降不顯著。

b.撓度和極限承載力的模擬結(jié)果高于試驗(yàn)值，而開裂荷載的模擬結(jié)果略低于試驗(yàn)值。無論是否為再生混凝土，鋼筋的力學(xué)性能基本相同，置換率對鋼筋沒有影響，但在實(shí)際工程中需考慮鋼筋與混凝土的粘結(jié)受置換率的影響。

c.該結(jié)論僅適用于該典型受彎簡支梁模型，其他假設(shè)條件下再生骨料置換率對構(gòu)件載荷的受彎影響需要進(jìn)一步研究以更好地應(yīng)用于實(shí)踐。