持續(xù)荷載作用下混凝土構(gòu)件的力學(xué)性能研究

魯麗華，楊敏基，陳四利

(沈陽工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，沈陽 110870)

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用在房屋建筑、道路橋梁、水工港口等工程中，對性能的可靠性要求是毋庸置疑的。學(xué)者們?yōu)榱搜芯夸摻罨炷两Y(jié)構(gòu)的可靠性進(jìn)行了大量的試驗研究，然而由于實際構(gòu)件尺寸較大，做一次實驗需要耗費(fèi)相當(dāng)多的人力、物力和財力，而有些結(jié)構(gòu)由于其復(fù)雜的約束條件，利用實驗手段幾乎很難進(jìn)行;進(jìn)行縮尺實驗往往其結(jié)果與實際情況相差較大。利用有限元計算分析軟件對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行數(shù)值模擬，可以降低研究成本、提高研究效率［1］。學(xué)者們利用已有實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比研究［2-5］，通過對實驗數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬的結(jié)果準(zhǔn)確性的驗證，把數(shù)值仿真過程進(jìn)行優(yōu)化，使得數(shù)值模擬更加貼近實際。各類復(fù)雜邊界條件也能夠較完整地在仿真模擬中實現(xiàn)，因此，有限元仿真技術(shù)對混凝土性能的研究具有重要的作用。

ABAQUS是國際上最先進(jìn)的大型通用有限元計算分析軟件之一，它可以分析復(fù)雜的工程力學(xué)問題，擁有求解大型規(guī)模問題的能力，以其精于非線性問題分析和復(fù)雜問題的求解見長，其非線性力學(xué)分析的功能達(dá)到了世界領(lǐng)先水平。本文利用其優(yōu)秀的非線性分析能力對持續(xù)荷載作用下的鋼筋混凝土構(gòu)件進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬的結(jié)果與實驗結(jié)果比較接近。為了驗證數(shù)值模擬的正確性和可行性，本文進(jìn)行了在持續(xù)荷載作用下壓彎構(gòu)件的承載力的實驗，然后利用ABAQUS進(jìn)行了數(shù)值模擬。

1 持續(xù)荷載作用的試驗

1.1 試驗制備

本試驗水泥選用普通硅酸鹽525水泥，砂采用河砂，細(xì)度模數(shù)2.6;碎石粒徑5～25 mm;高效引氣減水劑，減水量10% ～15%;鋼筋分別選用二級Φ14和Φ8及一級Φ8和Φ6的鋼筋。

參照混凝土規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)試驗方法配置了C50混凝土，制作6個如圖1所示的鋼筋混凝土試件，試件的厚度為120 mm，在室溫(20℃ +3℃)下養(yǎng)護(hù)28 d，并將其分為2組，第1組不加載;第2組加載12.5 kN;在室溫潮濕的環(huán)境下放置4個月。

用千斤頂加載，加載速率為0.3～0.5 N/s，如圖2所示。

表1 試驗結(jié)果

圖1 構(gòu)件尺寸

圖2 鋼筋混凝土試件加載架

1.2 實驗結(jié)果

每組的指標(biāo)取3個試件的平均值，其試驗結(jié)果見表1。并根據(jù)荷載和撓度及其他變形的關(guān)系制作荷載和混凝土壓應(yīng)變曲線及荷載和混凝土受拉面平均應(yīng)變曲線如圖3、圖4、圖12、圖13所示。

圖3 荷載與撓度的關(guān)系曲線

圖4 荷載與鋼筋的拉應(yīng)變關(guān)系曲線

2 有限元數(shù)值模擬

2.1 混凝土模型

混凝土是一種準(zhǔn)脆性材料，具有低抗拉、高抗壓、易開裂的性能。正確理解和定義混凝土材料屬性是分析鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵之一。ABAQUS軟件提供了3種混凝土本構(gòu)模型，可根據(jù)分析對象的不同要求進(jìn)行選擇。這3種不同的本構(gòu)模型分別是:脆性破裂模型、彌散裂縫模型和損傷塑性模型。

本文選用損傷塑性模型。它通過各向同性損傷彈性和各向同性拉伸壓縮塑性來描述混凝土的非彈性性能，并且能對承受各種荷載的混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析。

混凝土采用八節(jié)點(diǎn)線性減縮積分六面體C3D8R單元，共劃分了3 600個單元如圖6所示，模型采用的本構(gòu)關(guān)系曲線，單軸拉伸和壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線均采用混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的應(yīng)力應(yīng)變曲線。

圖5 混凝土有限元模型

圖6 鋼筋的有限元素模型

2.2 鋼筋模型

鋼筋的屈服模型采用的是經(jīng)典塑性理論，是用Mises屈服面來定義各向同性屈服。鋼筋應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系計算模型參數(shù)按混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中的數(shù)據(jù)，并選擇理想彈塑性模型作為模擬計算模型。

本文的鋼筋采用二節(jié)點(diǎn)桁架T3D2單元。普通鋼筋劃分了1 276個單元，鋼筋的彈性模量HPB235鋼筋選用2.1×105 MPa，HRB400鋼筋選用2.1×105 MPa，泊松比均為0.3。

2.3 降溫法持續(xù)加載

在實驗中鋼筋混凝土構(gòu)件加載是采用類似于預(yù)應(yīng)力的加載方法，在施加荷載的位置張拉一個鋼筋，然后將其錨固在混凝土構(gòu)件中。在有限元中則按照施加預(yù)應(yīng)力筋的方法，通過降溫法對施加預(yù)應(yīng)力。實驗時取為構(gòu)件極限荷載的50%，即12.5 KN，有限元中降溫的溫度為-43℃。

2.4 邊界條件

實驗中的鋼筋混凝土構(gòu)件所采用的混凝土強(qiáng)度等級為C50，所采用的鋼筋為HPB235和HRB400。混凝土和鋼筋采用八節(jié)點(diǎn)線性減縮積分六面體C3D8R單元和二節(jié)點(diǎn)桁架T3D2單元進(jìn)行分別建模，鋼筋使用Embedded命令加入混凝土當(dāng)中。為了防止加載處由于應(yīng)力集中所導(dǎo)致的局部破壞，在加載處定義了參考點(diǎn)，然后在參考點(diǎn)和混凝土構(gòu)件的受力面之間建立耦合約束。邊界條件是對構(gòu)件的一端的x方向和y方向的平動自由度進(jìn)行約束，構(gòu)件的另一端對y方向的平動自由度進(jìn)行約束。

2.5 加載過程及分析步類型的選擇

本文加載過程選用的是ABAQUS/Explicit顯式動態(tài)分析求解器。在實驗過程中，鋼筋混凝土構(gòu)件使用千斤頂勻速緩慢加載，平均每分鐘加載0.2～0.3 kN，直到試件破壞。實驗研究的是結(jié)構(gòu)的靜態(tài)響應(yīng)。但利用ABAQUS/Explicit中的Smooth Step選項，定義簡單的固定幅值類型，就會自動生成盡可能平滑的加載幅值。使得分析的問題成為準(zhǔn)靜態(tài)問題，既節(jié)約時間又保證有足夠的準(zhǔn)確性。

3 數(shù)值模擬結(jié)果

圖7、圖8、圖9、圖10分別為混凝土和鋼筋的應(yīng)力和應(yīng)變的云圖，圖11為構(gòu)件的位移云圖。

圖8 鋼筋應(yīng)力云圖

圖9 預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)析應(yīng)變云圖

圖10 鋼筋應(yīng)力云圖

圖11 混凝土位移云圖

圖12 預(yù)應(yīng)力混凝土受壓面荷載-應(yīng)變對比曲線

圖13 荷載與混凝土拉面平均應(yīng)變對比曲線

4 模擬與實驗的對比分析

將試驗數(shù)據(jù)與模擬試驗的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，繪制對比曲線如圖12、圖13所示。由圖12和圖13可以看出有限元模擬計算結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)都能夠吻合的比較好，曲線發(fā)展的趨勢也都很相似。最大荷載模擬結(jié)果值與實驗值的誤差都在10%以內(nèi)。

由此證明了利用本文利用損傷塑性模型建立的鋼筋混凝土有限元模型是可行的，可以用于模擬鋼筋混凝土構(gòu)件的計算中，模擬計算的結(jié)果、精度都較好。

5 結(jié)語

1)筋混凝土構(gòu)件在持續(xù)荷載作用下其承載力降低接近12%。

2)ABAQUS有限元中利用降溫法能夠很好的模擬對鋼筋混凝土構(gòu)件持續(xù)加載。

3)利用ABAQUS有限元的損傷塑性模型建立的鋼筋混凝土有限元模型是可行的，可以用于模擬鋼筋混凝土構(gòu)件的計算中，模擬計算的結(jié)果精度都較好。

4)利用ABAQUS/Explicit顯式動態(tài)分析求解器可以用于計算變形較大的鋼筋混凝土構(gòu)件的準(zhǔn)靜態(tài)加載過程，其模擬的結(jié)果與試驗結(jié)果很相似。

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