勁性鋼筋輕骨料混凝土梁正截面受彎數值模擬

張俊杰， 周永發(fā)， 張秋媛

(1.黑龍江科技學院 建筑工程學院，哈爾濱 150027;2.北京飛箭軟件有限公司，北京 100098)

勁性鋼筋輕骨料混凝土梁正截面受彎數值模擬

張俊杰1， 周永發(fā)2， 張秋媛1

(1.黑龍江科技學院 建筑工程學院，哈爾濱 150027;2.北京飛箭軟件有限公司，北京 100098)

為研究勁性鋼筋輕骨料混凝土構件的抗裂性能，采用跨中集中荷載的加載方式，通過數值模擬，分析勁性鋼筋輕骨料混凝土梁受彎構件變形與荷載的關系。模擬結果表明:勁性鋼筋輕骨料混凝土梁剛度較大，但破壞時撓度很大，有很好的延性。當受壓區(qū)混凝土壓碎破壞時，試驗梁仍具有很大的承壓能力。隨著跨中荷載的增大，梁的位移變形也隨之增多?？缰泻奢d增加到40 t時，梁的位移變形開始大幅度增大，導致混凝土開裂?；炷灵_裂后，試件截面剛度退化，裂縫寬度增幅顯著，裂縫寬度逐漸加寬。試件梁開裂后，裂縫寬度隨荷載變化的增長趨于穩(wěn)定，抗裂性能較好。模擬結果與試驗值相符。

勁性鋼筋輕骨料混凝土梁;正截面受彎;裂縫

0 引言

勁性鋼筋混凝土具有強度高、剛度大、延性好［1］、耐久性好以及減小結構自重和抗震等優(yōu)點。許多高層、超高層、大跨結構工程設計中已開始使用。由于勁性鋼筋輕骨料混凝土在國內研究起步較晚，有關的工程設計參照國外規(guī)范，在設計方法上很不統一。國外對勁性鋼筋輕骨料混凝土研究較早，但各國的計算理論及設計方法也不一樣［2］。該類構件與型鋼混凝土構件一樣，正常使用時易出現裂縫，降低構件承載力，給施工帶來安全隱患，因此，必須控制裂縫的寬度。在吸取國外設計經驗的基礎上開展對勁性鋼筋輕骨料混凝土結構的實驗研究，可為我國統一的設計規(guī)范或規(guī)程的制訂提供依據。為此，筆者分析了勁性鋼筋輕骨料混凝土梁正截面受彎時的最大裂縫及梁受力情況，研究勁性鋼筋輕骨料混凝土受彎構件的基本受力性能、破壞機理。

1 有限元分析

混凝土的本構關系是非線性彈性本構關系。其特點是:輕骨料混凝土是一種脆性材料，破壞形式包括受壓壓碎或受拉開裂，混凝土材料在空間上可以看作是各向同性，即x軸、y軸、z軸受力性能相同，但是單軸受力情況下受拉區(qū)和受壓區(qū)差異較大。受拉區(qū)基本上為線彈性，受拉強度僅為受壓強度的1/10左右。受壓區(qū)屈服后混凝土“軟化”，本構曲線有下降段。筆者在計算模型中采用了五參數willamwarnke破壞準則，它被用來檢查混凝土的開裂和壓碎。

式中:σm——平均應力;

ρt、ρc——分別為垂直于拉伸子午線(θ=0)和壓縮子午線(θ=60°)處靜水壓力軸的應力分量;

a0、a1、a2、b1、b2是材料常數，破壞函數的這五個參數由下列五個破壞狀態(tài)確定，單軸抗壓強度f'c，單軸抗拉強度f't=0.1f'c，雙軸抗壓強度f'bc=1.15f'c，當σ1＞σ2=σ3時，有側限的雙向抗壓強度(σmc，ρc)=(－1.95f'c，2.77f'c);當σ1=σ2＞σ3時，有側限的雙向抗壓強度:(σm，ρt)=(－3.9f'c，3.461f'c);常數a0=0.102 5，a1=－0.840 3，a2=－0.091 0，b1=－0.450 7，b2=－0.101 8。

鋼骨本構關系及屈服準則型鋼的本構關系簡化為理想彈塑性模型，考慮其應力應變關系中的強化段包興格效應等其它因素。此模型采用 Von Mises強度準則、雙線性隨動強化模型(BKIN)以及不相關流動法則。Von Mises等效應力定義為

式中，σ1、σ2、σ3是主應力。當等效應力超過材料的屈服應力時發(fā)生屈服，屈服準則表示為

2 數值模擬

為了清楚地反映勁性鋼筋輕骨料混凝土梁的應力、應變以及裂縫開展情況，選用勁性鋼筋輕骨料混凝土梁，文中采用3D實體模型，充分考慮模型精度和計算機分析時間之間的關系，力求使模型與實際情況的一致性?？缰屑泻奢d加載方式進行的開裂模型如圖1所示，梁截面尺寸如圖2所示，其材料參數如表1。

圖1 勁性鋼筋混凝土梁模型Fig.1 Model of concrete beam with formed steel light aggreate

圖2 勁性鋼筋混凝土梁截面尺寸Fig.2 Section size of concrete bean with formed steel light aggreate

勁性鋼筋輕骨料混凝土梁模型采用的是鋼筋與輕骨料混凝土分離式模型［3－4］。鋼筋采用的是link8單元，為三維桿單元;輕骨料混凝土選用的是solid65單元模擬。該單元是軟件中三維鋼筋混凝土實體單元，能夠計算拉裂和壓碎。利用其獨特的加筋功能，可以定義三種不同規(guī)格的鋼筋。鋼板以及支座處的墊板用的是solid65單元，是一種八節(jié)點三維結構實體單元，每個節(jié)點有三個自由度，即沿節(jié)點坐標系x，y，z方向的平動。在數值模擬分析梁的網格劃分為圖3，模擬結果如圖4～7。

表1 材料參數Table 1 Material parameters

模擬結果圖4～7顯示，勁性鋼筋輕骨料混凝土梁剛度較大，其鋼筋下翼緣屈服時撓跨比1/360，能滿足要求。但破壞時撓度很大，勁性鋼筋輕骨料混凝土梁的延性比值也很大，平均值為10.4，說明其延性好。勁性鋼筋輕骨料混凝土梁跨中截面應變分布符合平截面假定，臨近破壞時，勁性鋼筋與輕骨料混凝土之間出現滑移，比普通鋼筋混凝土梁有很大提高。

圖3 勁性鋼筋混凝土梁網格劃分Fig.3 Mesh generation concrete beam with forzned steel light aggregate

圖4 勁性鋼筋混凝土梁第一主應力分布情況Fig.4 First main stress distribution of concrete beam with formed steel light aggregate

圖5 勁性鋼筋混凝土梁第二主應力分布情況Fig.5 Second main stress distribution of concrete beam with formed steel light aggregate

圖6 勁性鋼筋混凝土梁第三主應力分布情況Fig.6 Third main stress distribution of concrete beam with formed steel light aggregate

圖7 勁性鋼筋混凝土梁主應力分布情況Fig.7 Main stress distribution of concrete beam with formed steel light aggregate

由圖8荷載－位移圖可以看出，隨著跨中荷載的不斷增加，梁的位移變形也隨之增多。當跨中荷載增加到40 t時，梁的位移變形開始大幅度增加，輕骨料混凝土出現開裂。混凝土開裂后，試件截面剛度退化，裂縫寬度逐漸加寬［5］。但是試件梁開裂后，裂縫寬度隨荷載變化的增長趨勢逐漸穩(wěn)定，抗裂性能較好。

圖8 勁性鋼筋混凝土梁位移力分布情況Fig.8 Oisplacement and strees of distribution concrete beam with formed steel light aggregate

3 結論

勁性鋼筋輕骨料混凝土梁剛度較大，但破壞時撓度很大。同時，它有很好的延性，當受壓區(qū)混凝土壓碎破壞時，試驗梁仍具有很大的承壓能力。其跨中截面應變分布符合平截面假定，臨近破壞時，勁性鋼筋與輕骨料混凝土之間出現滑移，比普通鋼筋混凝土梁有很大提高。梁的位移變形隨載荷變化而增加，在跨中荷載增加到40 t時，變形開始大幅度增大，輕骨料混凝土出現開裂?；炷灵_裂后，試件截面剛度退化，裂縫寬度增幅顯著，裂縫寬度逐漸加寬。試件梁開裂后，隨荷載變化的增長趨勢裂縫寬度趨于穩(wěn)定，抗裂性能較好。

［1］趙鴻鐵.鋼與混凝土組合結構［M］.北京:科學出版社，2001.

［2］PANTAZOPOULOU S J，PAPOULIA K D.Modeling cover-cracking due to reinforcement corrosion in RC structures［J］.Journal of Engineering Mechanics，2001，4127(4):342－351.

［3］中國建筑科學研究院.JGJ 138—2001型鋼混凝土組合結構技術規(guī)程［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002.

［4］張俊杰，劉書賢.勁性鋼筋混凝土梁斜截面承載力的試驗研究［J］.混凝土，2005(2):39－42.

［5］何 陶.勁性鋼筋混凝土梁正截面受彎裂縫的試驗研究［D］.哈爾濱:黑龍江科技學院，2009.

［6］賈遠林，陳世鳴.預應力組合梁負彎矩作用下梁端轉動能力研究［J］.河北工程大學學報:自然科學版，2009，26(1):14－20.

Numerical simulation of cross-section bending of concrete beam with formred steel light aggregate

ZHANG Junjie1， ZHOU Yongfa2， ZHANG Qiuyuan1
(1.College of Civil Engineering，Heilongjiang Institute of Science＆Technology，Harbin 150027，China; 2.Beijing FEGEN Soft Co.Ltd.，Beijing 100098，China)

Aimed at the effective control of deformation of steel reinforced light aggregate concrete component，this paper is an analysis of relationship between member deformation of reinforced light aggregate concrete beam on the normal section and load by applying concentrated load across the mid-span and through numerical simulation.The simulation results show that the reinforced light aggregate concrete beam gives a bigger rigidity，but in case of the destruction，reinforced light aggregate concrete has a large deflections.The reinforced light aggregate concrete beam exhibits a better ductility.The test beam still has great bearing capacity when the compressive zone of light aggregate concrete is subjected to crushing damages.The increasing deformation is accompanied by the increasing deformation displacement of the concentrated load across the mid-span.40－ton load in the mid span gives the beam a dramatically increasing displacement deformation，with resultant cracking in light aggregate concrete.Concrete cracking is followed by degrading stiffness of the specimen section，the increasing crack width，and the widening crack width.Specimen beams，subjected to cracking，show crack width which tends to be relatively stable with the load growth，and a better crack resisting performance.The simulation results fits better with the experimental values.

concrete beam with formed steel light aggregate;crack;cross-section bending

TU377

A

1671－0118(2011)04－0321－04

2011－06－16

黑龍江省教育廳科學技術研究項目(10553088)

張俊杰(1965－)，女，遼寧省沈陽人，副教授，碩士，研究方向:勁性剛筋輕骨料混凝土結構，E-mail:zhangxinyuan@yeah.net。

(編輯晁曉筠)