取代率和混凝土強度對組合梁受彎性能的影響*

許 偉， 王繼忠， 常曉波， 白 楊

(沈陽建筑大學 土木工程學院， 沈陽 110168)

建筑工程

取代率和混凝土強度對組合梁受彎性能的影響*

許 偉， 王繼忠， 常曉波， 白 楊

(沈陽建筑大學 土木工程學院， 沈陽 110168)

再生混凝土；組合梁；取代率；交接面滑移；單調(diào)荷載；撓度；受彎性能；有限元模擬

近年來，我國的建筑行業(yè)迅猛發(fā)展.混凝土作為用量最大的建筑材料，其消耗量隨著建筑業(yè)的發(fā)展與日俱增，同時建筑用地的拆遷也帶來了大量的建筑垃圾.這些建筑垃圾的運輸及處理不僅造成了大量的人力財力消耗，也給環(huán)境帶來了極大的損害.再生混凝土的開發(fā)和應(yīng)用對資源的回收利用和環(huán)境保護有著重大意義，再生混凝土是一種可持續(xù)發(fā)展的綠色混凝土，其應(yīng)用解決了混凝土作為最大用量的人造材料對自然資源的占用及對環(huán)境造成的負面影響，保證了人類社會的可持續(xù)發(fā)展.

1 內(nèi)置型鋼再生混凝土梁試驗

1.1 再生混凝土本構(gòu)關(guān)系

混凝土的本構(gòu)關(guān)系模型采用ABAQUS提供的Concrete Plastic Damage模型，該模型考慮了混凝土在拉壓狀態(tài)下的內(nèi)部損傷，既適用于靜力分析也適用于動力分析，可以較好地描述混凝土的非彈性行為，且具有很好的收斂性.本文中所用再生混凝土受壓本構(gòu)關(guān)系為陳宗平教授在文獻[5]中提出的二段式本構(gòu)方程，本構(gòu)關(guān)系曲線如圖1

所示.受拉本構(gòu)為肖建莊教授編著的《再生混凝土》[6]中提出的本構(gòu)關(guān)系模型，本構(gòu)關(guān)系曲線如圖2所示.

圖1 再生混凝土受壓本構(gòu)關(guān)系Fig.1 Constitutive relationship of recycled concrete under compression

圖2 再生混凝土受拉本構(gòu)關(guān)系Fig.2 Constitutive relationship of recycledconcrete under tension

1.2 試驗參數(shù)

圖3 內(nèi)置型鋼再生混凝土組合梁尺寸及加載方式Fig.3 Dimension and loading modes for built-in steel-recycled concrete combination beam

1.3 試驗結(jié)果對比分析

通過觀察比較圖4中模擬結(jié)果與試驗結(jié)果可以得出：

圖4 內(nèi)置型鋼再生混凝土組合梁的荷載撓度曲線Fig.4 Load-deflection curves for built-in steel-recycled concrete combination beam

4) 直到鋼梁完全屈服，此后的承載力主要靠鋼梁的變形來維持.加載過程中組合梁經(jīng)歷了彈性階段、彈塑性階段和塑性階段3個階段[8].

通過試驗與模擬結(jié)果對比可知，模擬所選用的再生混凝土本構(gòu)關(guān)系比較準確，可以使用該本構(gòu)關(guān)系進行模擬研究.

2.1 模型的建立及網(wǎng)格劃分

2.1.1 參數(shù)設(shè)置

圖5 型鋼再生混凝土組合梁尺寸及加載方式Fig.5 Dimension and loading modes for steel-recycled concrete combination beam

表1 構(gòu)件明細Tab.1 Details of components

2.1.2 模型建立

本模擬中混凝土板單元選取C3D8I實體單元(八節(jié)點線性六面體單元，非協(xié)調(diào)模式).非協(xié)調(diào)模式單元克服了單元與單元之間的剪切自鎖問題，在單元扭曲較小時可以得到準確的應(yīng)力和位移結(jié)果，同時，厚度方向上只需要少量單元就可以得到較為準確的計算結(jié)果，而計算成本卻大幅度降低.由于本模擬中型鋼的尺寸遠大于其厚度，且在其厚度方向的應(yīng)力可以忽略，所以型鋼采用S4殼體單元(四節(jié)點曲面通用殼)建立.該單元適用于平面彎曲問題，求解精確.

本模擬中再生混凝土板內(nèi)配有鋼筋，由于只考慮鋼筋抗拉作用，所以采用桁架單元來建立鋼筋模型，鋼筋單元選取T3D2單元(兩節(jié)點線性三維桁架單元)，鋼筋的本構(gòu)選取與型鋼相同.

單元間的接觸和約束條件是模型建立過程中最關(guān)鍵的地方.為了更加真實地模擬組合梁在單調(diào)荷載下的受力情況，本模擬中混凝土板和剪力連接件、混凝土板和型鋼之間都選擇摩擦約束，切向摩擦系數(shù)為0.6，法向選擇“硬接觸”.剪力連接件與型鋼之間采用綁定約束.鋼筋與混凝土板之間選擇嵌入?yún)^(qū)域的約束方式.

2.1.3 網(wǎng)格劃分

本文模型中混凝土板與栓釘全部選取實體單元建立，為了真實地反應(yīng)出栓釘與混凝土板間的相互作用，混凝土板預(yù)先開好與栓釘尺寸大小相適應(yīng)的孔洞，這樣使得混凝土板局部位置變得不規(guī)則，不能用簡單的全局布種來劃分混凝土板網(wǎng)格.需對混凝土板進行切割，將規(guī)則部分與不規(guī)則部分分開，然后采用全局布種和各邊單獨布種相結(jié)合的方式劃分網(wǎng)格，型鋼與剪力連接件的網(wǎng)格劃分如圖6所示.

圖6 各組成部件的網(wǎng)格劃分Fig.6 Mesh division of various components

2.2 試件應(yīng)力云圖

模型計算完畢后對結(jié)果進行處理，得到組合梁的應(yīng)力云圖，從應(yīng)力云圖可以直觀地觀察到組合梁的應(yīng)力傳遞情況.以試件L-5為例，提取得到的組合梁應(yīng)力云圖如圖7所示.由圖7可知，型鋼中應(yīng)力分布較大，混凝土板中應(yīng)力分布較小.型鋼中應(yīng)力分布較大區(qū)域主要集中在跨中部分，應(yīng)力向梁端逐漸遞減，支座附近應(yīng)力略有增加.型鋼下翼緣應(yīng)力比上翼緣大，混凝土板應(yīng)力主要集中在跨中位置.

圖7 組合梁的應(yīng)力云圖Fig.7 Stress nephogram of combination beam

圖8 組合梁的荷載撓度曲線Fig.8 Load-deflection curves of combination beam

2.3.2 交接面滑移分析

圖9 試件L-1滑移沿梁長的分布Fig.9 Distribution of slip along beam for specimen L-1

圖10 試件L-2滑移沿梁長的分布Fig.10 Distribution of slip along beam for specimen L-2

圖11 試件L-3滑移沿梁長的分布Fig.11 Distribution of slip along beam for specimen L-3

圖12 荷載與梁端部滑移曲線Fig.12 Curves for load and slip at beam end

2.4.1 曲線分析

圖13 荷載撓度曲線Fig.13 Load-deflection curves

2.4.2 滑移分布規(guī)律

從ABAQUS模擬結(jié)果中提取數(shù)據(jù)，得到荷載端部滑移曲線和滑移沿梁長的分布情況.交接面相對滑移沿梁長的分布如圖14～16所示.荷載與端部滑移關(guān)系如圖17所示.

圖14 試件L-4滑移沿梁長的分布Fig.14 Distribution of slip along beam for specimen L-4

圖15 試件L-5滑移沿梁長的分布Fig.15 Distribution of slip along beam for specimen L-5

圖16 試件L-6滑移沿梁長的分布Fig.16 Distribution of slip along beam for specimen L-6

圖17 組合梁的荷載與端部滑移曲線Fig.17 Curves for load and slip at beam end of composite beam

3 結(jié) 論

本文通過分析得出如下結(jié)論：

1) 隨著再生混凝土強度等級的提高，組合梁的承載力提高，但承載力受影響程度隨混凝土強度等級的提高而降低；交接面的滑移隨混凝土強度等級的提高而降低，滑移受影響程度隨混凝土強度的提高而減小.

2) 隨著再生骨料取代率的增大，組合梁的極限荷載呈下降趨勢，但下降幅度并不大.取代率在50%以下時，隨著取代率的增加，組合梁交接面滑移量降低；取代率為70%時，滑移量出現(xiàn)回升.

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(責任編輯：鐘 媛 英文審校：尹淑英)

Influence of replacement ratio and recycled concrete strength on bending capacity of combination beam

XU Wei,WANG Ji-zhong,CHANG Xiao-bo,BAI Yang

(School of Civil Engineering,Shenyang Jianzhu University,Shenyang 110168,China)

In order to study the effet of the replacement ratio of recycled aggregates and the strength of recycled concrete on the bending capacity of combination beam,the simulation study on the steel-recycled concrete bending capacity of combination beam was carried out with the finite element simulation software ABAQUS.The results show that with increasing the strength grade of recycled concrete,the bearing capacity of combination beam increases,and the interface slip reduces.With increasing the replacement ratio of recycled aggregates,the ultimate load of combination beam exhibits a downtrend.When the replacement ratio is below 50%,the interface slip decreases with increasing the replacement ratio.When the replacement ratio increases to 70%,the interface slip exhibits an upward trend.The steel-recycled concrete combination beam has good mechanical performance.

recycled concrete;combination beam;replacement ratio;interface slip;monotonic load;deflection;bending capacity;finite element simulation

2015-09-01.

住建部科學技術(shù)計劃項目(2015-K2-021).

許 偉(1971-)，女，遼寧沈陽人，教授，博士，主要從事組合結(jié)構(gòu)及工程管理等方面的研究.

22 17∶40在中國知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版.

http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20161222.1740.038.html

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.02.15

TU 398

A

1000-1646(2017)02-0198-07