多點(diǎn)荷載作用下鋼筋混凝土梁受力特性及損傷演化規(guī)律研究

謝瑋玥

摘? 要：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)因其具有較好受拉和抗壓性能，在各種建筑領(lǐng)域中被廣泛使用。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)作為現(xiàn)代建筑工程中廣泛采用的一種關(guān)鍵結(jié)構(gòu)形式，其在服役期間的損傷特性一直是工程領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)。該文利用ABAQUS有限元數(shù)值軟件，建立多點(diǎn)荷載作用下鋼筋混凝土梁的數(shù)值仿真計(jì)算模型，對(duì)鋼筋混凝土梁的多點(diǎn)荷載作用下受力特性及損傷演化規(guī)律開(kāi)展研究。研究發(fā)現(xiàn)，鋼筋混凝土梁在豎向位移荷載作用過(guò)程中，拉應(yīng)力集中于梁下部，壓應(yīng)力區(qū)在梁上部；隨外部荷載持續(xù)作用，縱向受力鋼筋上形成的應(yīng)力會(huì)傳遞至環(huán)向的箍筋上；鋼筋混凝土梁在純彎段受壓區(qū)處，混凝土的應(yīng)變大于材料的最大壓縮應(yīng)變，導(dǎo)致受壓區(qū)內(nèi)的混凝土出現(xiàn)損傷破壞；在鋼筋混凝土梁受力過(guò)程中，混凝土的強(qiáng)度等級(jí)和受拉鋼筋的強(qiáng)度等級(jí)對(duì)梁體的整體強(qiáng)度有決定性作用。

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土梁；多點(diǎn)加載；受力特性；損傷演化；數(shù)值仿真

中圖分類號(hào)：TU528.571? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）05-0077-04

Abstract： The reinforced concrete structure has a good tensile and compression performance， so it has been widely applied in all kinds of construction fields. As one of the most important structures in modern construction projects， the damage properties of RC structures have always been concerned about in engineering field. In this paper， a numerical simulation model of RC beam under multi-point load is developed using ABAQUS FEM software. The results show that in the course of vertical displacement， the tension stress is concentrated at the bottom of the beam， while the compressive stress is located at the top of the beam; with the continuous action of external load， the stress formed on the longitudinal steel bar will be transferred to the circumferential stirrups; in the compression zone of the pure bending section of the reinforced concrete beam， the strain of the concrete is greater than the maximum compressive strain of the material， which leads to the damage and failure of the concrete in the compression area. In the stress process of reinforced concrete beam， the strength grade of concrete and the strength grade of tensile steel bar play a decisive role in the overall strength of the beam.

Keywords： reinforced concrete beam; multi-point loading; stress characteristics; damage evolution; numerical simulation

目前，我國(guó)建筑行業(yè)正在朝著“節(jié)能減排、低碳環(huán)?！钡姆较虬l(fā)展，而隨著現(xiàn)代鋼筋混凝土建筑朝著大跨、超高層的方向發(fā)展，更多的項(xiàng)目對(duì)其材料的需求也隨之提高。在現(xiàn)代建設(shè)中，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)作為一種重要的結(jié)構(gòu)型式得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。鋼筋混凝土梁作為承載和傳遞荷載的關(guān)鍵構(gòu)件，扮演著極其重要的角色。隨著建筑行業(yè)的發(fā)展和設(shè)計(jì)要求的提高，對(duì)于鋼筋混凝土梁的受力特性及其損傷演化規(guī)律的研究變得愈發(fā)迫切。正確認(rèn)識(shí)鋼筋混凝土梁的力學(xué)性能是保證其安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。鋼筋混凝土梁的受力性能與其承載能力、變形性能、剛度等有關(guān)，與鋼筋混凝土梁的設(shè)計(jì)、施工、使用維護(hù)等密切相關(guān)。通過(guò)對(duì)普通荷載作用下梁體受力機(jī)理的深入研究，可為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)與設(shè)計(jì)依據(jù)，從而保證梁體的安全性與可靠性，提升建筑的整體性能[3-5]。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在服役時(shí)，將受到多種工作載荷及環(huán)境載荷的影響，從而引起結(jié)構(gòu)的破壞與損傷。對(duì)其損傷演變過(guò)程的深入了解，有助于深入認(rèn)識(shí)其在各種載荷下的變形與失效機(jī)制，為其進(jìn)行安全評(píng)價(jià)與維護(hù)奠定理論基礎(chǔ)[6-7]。本文研究成果將有助于揭示梁的破壞機(jī)理，并為梁的性能修復(fù)、增強(qiáng)與加固等工程應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件的力學(xué)性能和破壞機(jī)理進(jìn)行了較為深入的研究。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究，揭示其力學(xué)機(jī)制及變形規(guī)律，建立能反映其破壞發(fā)展過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。本文的研究將為鋼筋混凝土梁的設(shè)計(jì)、施工與養(yǎng)護(hù)等方面的工作奠定基礎(chǔ)，對(duì)保障鋼筋混凝土梁的安全與可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1? 模型建立

本文以ABAQUS軟件中內(nèi)置存在的C3D8R單元作為鋼筋的雙線性模型。采用C4D單元作為混凝土的三線性模型[8-10]。在C3D8R中，鋼筋之間的連接采用剛性連接。

在建立模型過(guò)程中，要注意以下幾點(diǎn)：①要確定鋼筋與混凝土之間的接觸面類型和接觸面上的接觸屬性。對(duì)于接觸屬性，可以使用2個(gè)或2個(gè)以上的接觸面來(lái)定義。②為了確定模型中的混凝土損傷狀態(tài)，要分別定義混凝土和鋼筋的損傷因子。③為使模型中的鋼筋和混凝土可以共同工作，需要對(duì)鋼筋進(jìn)行強(qiáng)化。

1.1? 模型及材料參數(shù)

數(shù)值計(jì)算中，梁三維尺寸為長(zhǎng)×寬×高=3 000 mm×200 mm×240 mm，在支撐和荷載作用下，以 TIE為基礎(chǔ)，通過(guò)TIE技術(shù)將墊片與梁相結(jié)合，墊片位于梁的兩側(cè)，厚10 cm，寬240 cm，對(duì)其向下增設(shè)10 cm的位移，使其向下移動(dòng)。梁的內(nèi)部鋼筋布置形式為3層，上層受壓區(qū)2根鋼筋為Φ12 mm，中間和底部區(qū)域?yàn)槭芾瓍^(qū)，均設(shè)置3根鋼筋，鋼筋的型號(hào)分別為Φ16 mm。另外就是箍筋的間隔距離和防護(hù)層分別為100 cm和30 cm，如圖1—圖3所示。

鋼筋和混凝土是工程中最常用的材料，在 ABAQUS中，可以通過(guò)定義材料屬性來(lái)設(shè)置鋼筋和混凝土的相關(guān)屬性。對(duì)于鋼筋，可以根據(jù)使用規(guī)范確定鋼筋的屈服強(qiáng)度，并根據(jù)鋼筋的特性確定其本構(gòu)關(guān)系，一般情況下采用線性本構(gòu)關(guān)系。對(duì)于混凝土，一般采用線彈性模型，即在宏觀上只考慮彈性階段。ABAQUS中也有一些參數(shù)是可以調(diào)整的，可以根據(jù)需要進(jìn)行修改。比如可以通過(guò)定義鋼筋和混凝土之間的接觸關(guān)系來(lái)調(diào)整相互作用，并設(shè)置相應(yīng)的接觸屬性，定義材料屬性可以通過(guò)在單元上定義材料屬性來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)定義材料屬性，可以實(shí)現(xiàn)不同材料之間的組合和替換。設(shè)置好之后可以進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算和后處理分析。本文中混凝土采用C30混凝土，鋼筋采用HRB600。數(shù)值建模的參數(shù)見(jiàn)表1。

1.2? 外荷載加載方式

與反復(fù)加載的懸臂結(jié)構(gòu)形式相比，這類結(jié)構(gòu)形式主要受到上部載荷作用，因此在施加載荷時(shí)將荷載的施加方向由上向下施加。為了方便計(jì)算，將荷載級(jí)別作為研究變量，加載級(jí)別劃分為3級(jí)，設(shè)置的初始加載位移量為5 mm。

2? 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

2.1? 鋼筋受力特征分析

鋼筋混凝土梁中鋼筋的數(shù)值仿真結(jié)果云圖如圖4所示。由于在鋼筋混凝土梁上施加的集中荷載是處于對(duì)稱狀態(tài)的，因此其應(yīng)力分布基本呈現(xiàn)對(duì)稱狀態(tài)。在豎向位移荷載作用過(guò)程中，拉應(yīng)力的分布基本上集中于下部區(qū)域，而上部區(qū)域的鋼筋基本上呈現(xiàn)受壓狀態(tài)。隨外部荷載向下的持續(xù)性作用，上部區(qū)域的鋼筋在受壓過(guò)程中將形成壓縮變形，而下部區(qū)域的鋼筋呈現(xiàn)出拉伸變形狀態(tài)，最終在鋼筋上形成的應(yīng)力將進(jìn)一步傳遞至環(huán)向的箍筋上。

由數(shù)值仿真結(jié)果可知，在對(duì)稱荷載的作用下使得鋼筋混凝土梁的中部區(qū)域?qū)⑿纬蓱?yīng)力集中區(qū)。因此，該應(yīng)力集中受壓區(qū)混凝土的強(qiáng)度是梁穩(wěn)定性控制的關(guān)鍵，而應(yīng)力集中受拉區(qū)鋼筋的抗拉強(qiáng)度是梁受拉破壞的關(guān)鍵控制點(diǎn)。因此，混凝土和鋼筋的強(qiáng)度是維系鋼筋混凝土梁安全性、耐久性的重要影響參數(shù)。在實(shí)際工程建設(shè)過(guò)程中，必須保證混凝土強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到要求，同時(shí)應(yīng)按照工程施工要求確保受拉一側(cè)鋼筋的保護(hù)層厚度和質(zhì)量達(dá)標(biāo)。

2.2? 梁損傷特征分析

在鋼筋混凝土梁的局部部位，由于自身的物理力學(xué)性質(zhì)無(wú)法抵御外荷載所引起的變形，進(jìn)而導(dǎo)致鋼筋混凝土梁的部分區(qū)域喪失了服役能力，進(jìn)而導(dǎo)致其整體受力性能迅速降低。為了進(jìn)一步研究鋼筋混凝土梁的損傷破壞情況，可以使用壓縮損傷、拉伸損傷對(duì)其整體損傷進(jìn)行表征，如果表征因子的數(shù)值越大，表明鋼筋混凝土梁受到的損傷破壞越嚴(yán)重，就進(jìn)一步反映出實(shí)際工程中更有可能出現(xiàn)損傷破壞裂紋。鋼筋混凝土梁的損傷計(jì)算云圖如圖5所示。

鋼筋混凝土梁發(fā)生損傷破壞前，各縱筋都已屈服，但在荷載作用下，梁受力后其撓度發(fā)生了明顯的變化。本文通過(guò)對(duì)鋼筋混凝土梁開(kāi)展有限元數(shù)值模擬，對(duì)其總體損傷破壞形式進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)在加載過(guò)程中，在純彎段的受壓區(qū)內(nèi)，混凝土在加載過(guò)程中已經(jīng)發(fā)生了破壞。在偏轉(zhuǎn)荷載下，試件產(chǎn)生了很大的彎曲變形。在純彎段受壓區(qū)處，混凝土的應(yīng)變大于材料的最大壓縮應(yīng)變，導(dǎo)致受壓區(qū)內(nèi)的混凝土出現(xiàn)了破碎現(xiàn)象。

2.3? 荷載-位移特征分析

本文采用有限元分析方法，分析了混凝土強(qiáng)度、拉筋強(qiáng)度、壓筋強(qiáng)度等因素對(duì)鋼筋混凝土梁受力特性的影響。鋼筋混凝土梁中混凝土、受拉鋼筋、受壓鋼筋隨位移加載后的強(qiáng)度變化如圖6所示。隨位移加載的逐漸增加，混凝土、受拉鋼筋、受壓鋼筋所受荷載均逐漸增大。由圖6可知，混凝土所承受的荷載最大，其次是受拉鋼筋，最小的是受壓鋼筋。在位移加載前期，荷載的變化速率較大，當(dāng)位移加載到達(dá)一定閾值時(shí)，此時(shí)各部件所受荷載值基本不變，說(shuō)明構(gòu)建研究發(fā)生了屈服破壞，達(dá)到了各部件的峰值強(qiáng)度，鋼筋混凝土已經(jīng)步入到了塑性變形的極端，梁體的承載能力逐漸喪失。計(jì)算結(jié)果表明，在鋼筋混凝土梁受力過(guò)程中，混凝土的強(qiáng)度等級(jí)和受拉鋼筋的強(qiáng)度等級(jí)對(duì)梁體的整體強(qiáng)度有決定性作用。因此需對(duì)混凝土及鋼筋材料質(zhì)量和施工質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān)。

同時(shí)，在實(shí)際工程應(yīng)用中，通常很難獲得此類構(gòu)件的受力變形特征，因此，與模型實(shí)驗(yàn)相比，采用數(shù)字仿真技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力變形研究更為便捷、直觀。

3? 結(jié)論

1）鋼筋混凝土梁在豎向位移荷載作用過(guò)程中，拉應(yīng)力集中于下部區(qū)域，上部區(qū)域的鋼筋呈現(xiàn)受壓狀態(tài)；隨外部荷載持續(xù)作用，最終在縱向受力鋼筋上形成的應(yīng)力進(jìn)一步傳遞至環(huán)向的箍筋上。

2）鋼筋混凝土梁在加載過(guò)程中，在偏轉(zhuǎn)荷載下，試件產(chǎn)生了很大的彎曲變形；在純彎段受壓區(qū)處，混凝土的應(yīng)變大于材料的最大壓縮應(yīng)變，導(dǎo)致受壓區(qū)內(nèi)的混凝土出現(xiàn)損傷破壞。

3）隨位移加載的逐漸增加，混凝土、受拉鋼筋、受壓鋼筋所受荷載均逐漸增大，混凝土所承受的荷載最大，其次是受拉鋼筋，最小的是受壓鋼筋。計(jì)算結(jié)果表明，在鋼筋混凝土梁受力過(guò)程中，混凝土的強(qiáng)度等級(jí)和受拉鋼筋的強(qiáng)度等級(jí)對(duì)梁體的整體強(qiáng)度有決定性作用。

4）數(shù)值仿真技術(shù)的出現(xiàn)可以快速、便捷地反映出鋼筋混凝土構(gòu)件的受力特性，可輕松地獲得一些在實(shí)驗(yàn)室中很難得到的參數(shù)，為鋼筋混凝土構(gòu)件的設(shè)計(jì)、建造提供技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王曉盼.高強(qiáng)鋁合金筋嵌入式加固鋼筋混凝土梁受力性能研究[D].烏魯木齊：新疆大學(xué)，2021.

[2] XUE X，CHEN X Q，ZHAO P F， et al. Shear performance of reinforced concrete beams containing stirrups with lower bend defects[J]. Engineering Structures，2023，280（1）：1.1-1.16.

[3] 張綺雯，韋斌，何俊甫，等.預(yù)應(yīng)力后張法在大跨度鋼筋混凝土梁施工中的應(yīng)用[J].四川水泥，2023（6）：146-148.

[4] 張耀文，劉旭娟，馬東磊，等.基于ABAQUS的CFRP加固鋼筋混凝土梁抗彎性能研究[J].廣州航海學(xué)院學(xué)報(bào)，2023，31（1）：77-82.

[5] WEI Z L，KAI X L，CHAO M， et al. Experimental study on consistency of the impact performance between composite beams and reinforced concrete beams[J]. Composite Structures，2023，308：16677.

[6] MOKHATAR S N， MUTALIB N A N A， ZABIDDIN M Z I， et al. Strength performance of reinforced concrete beam containing waste tire rubber and local waste material[J]. IOP Conference Series： Earth and Environmental Science，2023，1205（1）：2023.

[7] 陳飛飛.基于ANSYS的銹蝕鋼筋混凝土梁力學(xué)性能分析[J].科技資訊，2023，21（5）：73-77.

[8] 陸中祥，范文舉，芮勇勤.基于ABAQUS鋼筋混凝土梁承載力影響因素研究[C]//中冶建筑研究總院有限公司.2022年工業(yè)建筑學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集（下冊(cè)），2022：357-362，239.

[9] 張耀文，余鳴飛，史鵬磊，等.鋼筋混凝土梁正截面受彎破壞數(shù)值分析[J].廣州航海學(xué)院學(xué)報(bào)，2022，30（3）：66-71.

[10] 胡洋旸.高強(qiáng)砂漿與CFRP網(wǎng)格布加固鋼筋混凝土梁正截面抗彎性能試驗(yàn)研究[D].廣州：廣州大學(xué)，2022.