基于ABAQUS的再生混凝土梁受彎性能分析

劉 陽，胡 郢

(1.武昌工學院城市建設學院，武漢 430065；2.武漢理工大學道路橋梁與結構工程湖北省重點實驗室，武漢 430070)

建筑工業垃圾的處理方法一般為填埋和堆放，對我國環保事業帶來了巨大影響。將處理后的混凝土骨料與適當比例的新骨料混合后，制作再生混凝土，能較好的解決建筑廢棄垃圾的影響，同時能減少大量新生能源浪費[1-3]。但對再生混凝土骨料進行置換過程中，置換比例的選擇一直是阻礙其發展的重要因素。如何在保證足夠強度的前提下，選擇合理的置換率一直是科研及工程技術人員研究的重點[4,5]。

再生混凝土梁是實際工程中使用較多的結構構件，對不同置換率梁的受力性能，通過試驗已經做了一定的分析，但試驗存在影響因素較多，且置換材料離散性較大等不足，且在時間和造價上都有一定的缺陷，獲得一般性結論的困難較大。現利用部分已有試驗數據，利用通用有限元軟件ABAQUS建立了不同取代率的再生混凝土梁和鋼筋混凝土梁的有限元模型，對比分析其不同的受彎性能，研究不同置換率對梁受彎性能的影響，供工程及科研人員參考。

1 有限元模型的建立

選取骨料置換率分別為0、30%和75%的3根再生混凝土梁。混凝土強度為C35，構造鋼筋選擇HPB300，直徑為6 mm，受拉鋼筋選擇HRB400，直徑D=18 mm。梁尺寸為2 000 mm×200 mm×120 mm，混凝土保護層厚度取20 mm。假設混凝土塑性損傷模型由拉伸或壓縮引起，鋼筋混凝土的鋼筋是單軸應力。鋼筋及混凝土的強度及彈性模量，參考《混凝土結構設計規范》選取，泊松比v=0.2。

1) 單元類型的選擇

(1)再生混凝土單元及墊塊：再生混凝土采用C3D8R單元，其具有計算精度較高，受其他條件影響較小的特點。為防止承載點中出現應力集中現象，在加載處設置墊塊，也采用C3D8R單元。

(2)鋼筋單元：該次有限元分析中縱筋、箍筋等全部采用適用于模擬剛性和剛性遠高于整個結構的T3D2單元，共三個自由度。

2) 模型的建立和加載 模型的幾何參數詳見表1。

表1 簡支梁的幾何參數

按照先混凝土單元、然后鋼筋骨架單元，最后格柵的劃分的順序建立有限元模型，其中混凝土單元和墊塊使用上述的C3D8R，鋼單元使用上述的T3D2。鋼筋骨架與墊塊、混凝土芯之間的約束分別由ABAQUS軟件中的Embedded Region命令和Tie命令執行。混凝土和鋼筋的最終單元模型如圖1所示。加載采用力加載的方式逐級加載，根據裂縫的寬度和撓度的變化判斷是否結構破壞，讀取位移和加載數據用于進一步計算分析。

2 結果對比分析

1)鋼筋混凝土變形后的有限元模型 圖2所示為再生鋼筋混凝土整體梁、再生素混凝土和鋼筋骨架的變形后模型。

圖3顯示了不同置換率(0、30%和75%)下再生混凝土梁的破壞位移。對比分析可得：再生混凝土梁的撓度隨著再生骨料替代率的增多而增大。三種測試梁損壞時的具體撓度值在右側顯示，有限元模擬的位移與已有試驗分析中跨中撓度數值近似，表明有限元分析的正確性。

2) 荷載位移曲線 再生混凝土梁跨中截面的彎曲撓度隨外荷載變化規律如圖4所示。對比分析不同置換率下的有限元結果可以發現：加載初期，由于單元的抗彎剛度較大而呈現線性增加的變化；隨荷載逐漸增加，直到混凝土達到拉伸極限并出現裂縫，其上升曲線有下降趨勢，并出現轉折；隨著荷載的不斷增加，開裂梁中的裂縫逐漸增多并繼續向上延伸直至破壞，梁抗彎剛度減小而梁截面的彎曲撓度逐漸增大。在建模過程中，假設各單元材料是均勻的、各向同性的，使用Embedded命令模擬鋼筋和混凝土的相互作用，由于存在與實際情況不符的可能，導致最終荷載和撓度的模擬結果大于測試所得。

3) 計算值與試驗值的結果對比 表2給出了再生混凝土梁在破壞時的跨中撓度、最終承載力和開裂荷載的模擬和試驗值。撓度和極限承載力的模擬結果高于試驗值，而開裂荷載的模擬結果略低于試驗值。該現象可能是由于ABAQUS有限元軟件模擬所用混凝土的單軸壓縮的本構關系與試驗之間有所差別[6]，或兩者在分析計算過程中均存在不利因素，最終影響測試結果。

表2 試驗值與計算值的對比

3 結 論

a.再生混凝土梁的撓度隨著再生骨料置換率的增加而增大。隨著粗骨料置換率的提高，整個梁的撓度受到更大的影響，梁的抗彎性能下降，但下降不顯著。

b.撓度和極限承載力的模擬結果高于試驗值，而開裂荷載的模擬結果略低于試驗值。無論是否為再生混凝土，鋼筋的力學性能基本相同，置換率對鋼筋沒有影響，但在實際工程中需考慮鋼筋與混凝土的粘結受置換率的影響。

c.該結論僅適用于該典型受彎簡支梁模型，其他假設條件下再生骨料置換率對構件載荷的受彎影響需要進一步研究以更好地應用于實踐。