張俊杰， 周永發(fā)， 張秋媛

(1.黑龍江科技學(xué)院 建筑工程學(xué)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(shù)值模擬

張俊杰1， 周永發(fā)2， 張秋媛1

(1.黑龍江科技學(xué)院 建筑工程學(xué)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(gòu)件的抗裂性能，采用跨中集中荷載的加載方式，通過數(shù)值模擬，分析勁性鋼筋輕骨料混凝土梁受彎構(gòu)件變形與荷載的關(guān)系。模擬結(jié)果表明:勁性鋼筋輕骨料混凝土梁剛度較大，但破壞時(shí)撓度很大，有很好的延性。當(dāng)受壓區(qū)混凝土壓碎破壞時(shí)，試驗(yàn)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(shí)，梁的位移變形開始大幅度增大，導(dǎo)致混凝土開裂。混凝土開裂后，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(jié)果與試驗(yàn)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(qiáng)度高、剛度大、延性好［1］、耐久性好以及減小結(jié)構(gòu)自重和抗震等優(yōu)點(diǎn)。許多高層、超高層、大跨結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)中已開始使用。由于勁性鋼筋輕骨料混凝土在國內(nèi)研究起步較晚，有關(guān)的工程設(shè)計(jì)參照國外規(guī)范，在設(shè)計(jì)方法上很不統(tǒng)一。國外對(duì)勁性鋼筋輕骨料混凝土研究較早，但各國的計(jì)算理論及設(shè)計(jì)方法也不一樣［2］。該類構(gòu)件與型鋼混凝土構(gòu)件一樣，正常使用時(shí)易出現(xiàn)裂縫，降低構(gòu)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(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上開展對(duì)勁性鋼筋輕骨料混凝土結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)研究，可為我國統(tǒng)一的設(shè)計(jì)規(guī)范或規(guī)程的制訂提供依據(jù)。為此，筆者分析了勁性鋼筋輕骨料混凝土梁正截面受彎時(shí)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(gòu)件的基本受力性能、破壞機(jī)理。

1 有限元分析

混凝土的本構(gòu)關(guān)系是非線性彈性本構(gòu)關(guān)系。其特點(diǎn)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(qiáng)度僅為受壓強(qiáng)度的1/10左右。受壓區(qū)屈服后混凝土“軟化”，本構(gòu)曲線有下降段。筆者在計(jì)算模型中采用了五參數(shù)willamwarnke破壞準(zhǔn)則，它被用來檢查混凝土的開裂和壓碎。

式中:σm——平均應(yīng)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(yīng)力分量;

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

鋼骨本構(gòu)關(guān)系及屈服準(zhǔn)則型鋼的本構(gòu)關(guān)系簡化為理想彈塑性模型，考慮其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系中的強(qiáng)化段包興格效應(yīng)等其它因素。此模型采用 Von Mises強(qiáng)度準(zhǔn)則、雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型(BKIN)以及不相關(guān)流動(dòng)法則。Von Mises等效應(yīng)力定義為

式中，σ1、σ2、σ3是主應(yīng)力。當(dāng)?shù)刃?yīng)力超過材料的屈服應(yīng)力時(shí)發(fā)生屈服，屈服準(zhǔn)則表示為

2 數(shù)值模擬

為了清楚地反映勁性鋼筋輕骨料混凝土梁的應(yīng)力、應(yīng)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(shí)體模型，充分考慮模型精度和計(jì)算機(jī)分析時(shí)間之間的關(guān)系，力求使模型與實(shí)際情況的一致性?？缰屑泻奢d加載方式進(jìn)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(shù)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(shí)體單元，能夠計(jì)算拉裂和壓碎。利用其獨(dú)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(diǎn)三維結(jié)構(gòu)實(shí)體單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)自由度，即沿節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系x，y，z方向的平動(dòng)。在數(shù)值模擬分析梁的網(wǎng)格劃分為圖3，模擬結(jié)果如圖4～7。

表1 材料參數(shù)Table 1 Material parameters

模擬結(jié)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(shí)撓跨比1/360，能滿足要求。但破壞時(shí)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(yīng)變分布符合平截面假定，臨近破壞時(shí)，勁性鋼筋與輕骨料混凝土之間出現(xiàn)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(wǎng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(dāng)跨中荷載增加到40 t時(shí)，梁的位移變形開始大幅度增加，輕骨料混凝土出現(xiàn)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(shì)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(jié)論

勁性鋼筋輕骨料混凝土梁剛度較大，但破壞時(shí)撓度很大。同時(shí)，它有很好的延性，當(dāng)受壓區(qū)混凝土壓碎破壞時(shí)，試驗(yàn)梁仍具有很大的承壓能力。其跨中截面應(yīng)變分布符合平截面假定，臨近破壞時(shí)，勁性鋼筋與輕骨料混凝土之間出現(xiàn)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(shí)，變形開始大幅度增大，輕骨料混凝土出現(xiàn)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(shì)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(jié)構(gòu)［M］.北京:科學(xué)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(xué)研究院.JGJ 138—2001型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)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(yàn)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(yàn)研究［D］.哈爾濱:黑龍江科技學(xué)院，2009.

［6］賈遠(yuǎn)林，陳世鳴.預(yù)應(yīng)力組合梁負(fù)彎矩作用下梁端轉(zhuǎn)動(dòng)能力研究［J］.河北工程大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)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(xué)技術(shù)研究項(xiàng)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(jié)構(gòu)，E-mail:zhangxinyuan@yeah.net。

(編輯晁曉筠)