郭易奇

（沈陽(yáng)建筑大學(xué)規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)研究院）

1 引言

再生混凝土的產(chǎn)生使混凝土形成“產(chǎn)生——廢棄——重生”的循環(huán)[1-2]。馬輝等[3]對(duì)11 根碳纖維布（CFRP）約束型鋼再生混凝土柱進(jìn)行了軸壓性能研究，在CFRP 約束型鋼的作用下，再生粗骨料取代率的取值對(duì)試件軸壓承載力影響較小。林慶哲[4]采用廢棄纖維增強(qiáng)再生混凝土，研究了廢棄纖維再生混凝土柱的軸壓和抗震性能。

本文采用ABAQUS有限元數(shù)值模擬軟件，對(duì)再生混凝土柱的軸心受壓力性能進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)變量為再生骨料取代率0%、50%、100%和長(zhǎng)細(xì)比2mm、5mm、8mm，得到荷載—側(cè)向變形曲線，分析再生混凝土柱的破壞特征和軸心受壓承載力，提出再生混凝土軸心受壓承載力的計(jì)算方法。

2 有限元模型建立

2.1 材料本構(gòu)模型

采用實(shí)體單元C3D8R進(jìn)行再生混凝土模擬，本構(gòu)關(guān)系模型采用肖建莊[4]提出的再生混凝土塑性損傷模型，見(jiàn)式（1），a和b為兩段式模型的模型參數(shù)。

鋼筋采用桁架單元T3D2進(jìn)行模擬，因此鋼筋選用彈塑性模型和雙折本構(gòu)模型，如式（2）所示。

式中：k為鋼筋硬化階段的斜率；fy為鋼筋的屈服強(qiáng)度；εy為屈服強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的應(yīng)變。

2.2 模型建立

共建立5 根截面尺寸為300mm×300mm 的再生混凝土柱試件數(shù)值模型。再生骨料取代率分別為0%、50%、100%；柱長(zhǎng)分別為600mm、1500mm、2400mm，對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)細(xì)比分別為2mm、5mm、8mm。再生混凝土柱有限元模型參數(shù)列于表1中。

表1 有限元模型柱參數(shù)

加載方式為軸心單調(diào)加載，通過(guò)位移控制荷載的施加。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分技術(shù)對(duì)再生混凝土柱有限元模型進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，網(wǎng)格的最大尺寸為25mm×25mm。

2.3 模型驗(yàn)證

采用文獻(xiàn)[5]中完成的再生混凝土柱軸心受壓試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。選取再生骨料取代率為50%，長(zhǎng)細(xì)比為5 的試件RC50-5 進(jìn)行數(shù)值模擬。再生混凝土荷載-應(yīng)變曲線模擬值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如圖1所示。

圖1 RC50-5荷載-混凝土應(yīng)變曲線

由圖1可知，根據(jù)模擬值和試驗(yàn)值繪制的荷載—混凝土應(yīng)變曲線形態(tài)及變化規(guī)律基本一致，荷載偏差值在5%以?xún)?nèi)，本文建立的數(shù)值模型在模型建立、材料本構(gòu)模型的選取、模型約束條件選擇等方面基本正確，該模型可以較真實(shí)地反映再生混凝土柱在軸壓力作用下的力學(xué)行為。

3 再生混凝土軸壓性能

3.1 再生混凝土柱側(cè)向撓度變形

不同再生骨料取代率下，再生混凝土柱的軸心受壓荷載—側(cè)向變形曲線如圖2（a）所示。曲線變化主要分為兩階段：第一階段荷載值為0～1500kN，荷載—側(cè)向變形關(guān)系呈線性增長(zhǎng)，在該階段混凝土柱呈彈性變形，再生骨料的加入對(duì)此階段影響不大。第二階段為荷載值1500kN至極限荷載，各試件到達(dá)極限荷載后，荷載的增加率降低，側(cè)向變形增加率大幅度增長(zhǎng)。極限荷載與側(cè)向變形值的變化規(guī)律相同，均為NC-5>RC50-5>RC100-5，說(shuō)明隨著再生骨料取代率的增加，再生混凝土柱的軸壓極限承載力降低，側(cè)向撓度變形值減少。

圖2（b）柱長(zhǎng)分別為600mm、1500mm、2400mm，對(duì)應(yīng)長(zhǎng)細(xì)比為2mm、5mm、8mm 的荷載與側(cè)向撓度變形的關(guān)系曲線。隨著長(zhǎng)細(xì)比的增加，再生混凝土柱側(cè)向撓度變形增大；在相同側(cè)向撓度下，承載力的變化趨勢(shì)為RC50-2>RC50-5>RC50-8，長(zhǎng)細(xì)比越小，承載力越大。長(zhǎng)細(xì)比對(duì)再生混凝土柱的影響規(guī)律與普通混凝土柱基本一致。

圖2 荷載-側(cè)向變形曲線b

3.2 再生骨料取代率對(duì)軸壓柱承載力的影響

圖3為在軸壓比為0.4的條件下，再生骨料取代率分別為0、50%和100%（試件編號(hào)NC-5、RC50-5、RC100-5）的試件破壞形態(tài)。

由圖3可知，應(yīng)力分布面積發(fā)生變化，試件根部受拉損傷面積的變化規(guī)律為RC100-5>RC50-5>NC-5，試件RC100-5破壞較嚴(yán)重。隨著再生骨料取代率的增加，柱的極限承載力分別為3012kN、2839kN、2650kN，RC50-5 較NC-5 試件降低5.74%，RC100-5較RC50-5試件降低了6.66%。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因主要與粗骨料的品質(zhì)有關(guān)，再生粗骨料主要由廢棄混凝土經(jīng)破損后進(jìn)行回收，在破損過(guò)程中內(nèi)部產(chǎn)生初始損傷，在軸壓力作用下初始損傷擴(kuò)展，從而造成了再生混凝土柱的承載力較天然混凝土低。

圖3 不同再生骨料取代率柱的軸壓破壞形態(tài)

3.3 長(zhǎng)細(xì)比對(duì)軸壓柱承載力的影響

當(dāng)再生骨料取代率為50%，長(zhǎng)細(xì)比分別為2mm、5mm 和8mm 的再生混凝土軸心受壓承載力分別為3052kN、2839kN、2670kN。隨著長(zhǎng)細(xì)比的增加，再生混凝土柱的承載力提高，RC50-5 較RC50-2 降低6.98%，RC50-8 較RC50-5 降低5.95%。長(zhǎng)細(xì)比對(duì)再生混凝土柱的影響與天然混凝土柱類(lèi)似，主要取決于初始偏心距。當(dāng)長(zhǎng)細(xì)比為2mm時(shí)，柱的軸心受壓承載力最大。隨著長(zhǎng)細(xì)比的增加，在附加偏心距下產(chǎn)生無(wú)法忽略的側(cè)向撓度，從而造成柱的破壞。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)ABAQUS有限元分析軟件建立模型，討論了再生骨料取代率（0、50%、100%）和長(zhǎng)細(xì)比（2mm、5mm、8mm）對(duì)再生混凝土柱軸心受壓性能的影響，主要得到以下結(jié)論：

①隨著再生骨料取代率的增加，柱的側(cè)向撓度變小，隨著長(zhǎng)細(xì)比的增加，當(dāng)荷載相同時(shí)，柱的側(cè)向撓度隨著長(zhǎng)細(xì)比增加，變化規(guī)律與普通混凝土相似；

②隨著再生骨料取代率的增加，柱的軸心受壓承載力減低，隨著柱長(zhǎng)細(xì)比的增加，柱的軸心受壓承載力大幅度下降。

本文建立的ABAQUS 有限元模型可以進(jìn)行類(lèi)似軸壓作用下再生混凝土構(gòu)件的受力行為模擬。