鋼筋混凝土損傷梁受彎性能的試驗及仿真分析

任郅祺,黃 巍,夏登輝,劉慶濤,劉沅錕,孫 萌

(哈爾濱學院,黑龍江 哈爾濱 150040)

鋼筋混凝土梁是橋梁中重要的結構構件,在受力過程中梁體內鋼筋的受力狀態、混凝土的變形和裂縫等是評價梁體損傷程度及橋梁是否安全穩定的重要評價參數。在既有橋梁中,由于長期受到荷載、溫度、氣候、材料老化等作用影響而產生的不同程度的損傷,這些損傷表現為梁體開裂、鋼筋暴露銹蝕、結構受力變形過大等,進而降低梁體使用性能。為了分析梁體損傷程度對承載力的影響規律,對9片不同設計參數的鋼筋混凝土梁進行了靜載試驗,獲得了不同損傷程度、設計參數對梁體的抗彎承載力影響規律,給預估梁體壽命和橋梁安全提供參考。

目前評價舊橋實際承載力的方法有很多,如車輛靜載試驗可以檢驗橋梁在受力過程中的變形、裂縫等情況,能夠準確分析橋梁安全性能,但存在操作復雜、封閉交通等問題,而目前較為常用的無損檢測或局部損傷試驗只能獲得局部構件的材料狀態,無法體現橋梁整體受力情況。為研究鋼筋混凝土梁損傷程度對抗彎承載力的影響,依托黑龍江省地下工程重點實驗室項目“有限元模擬損傷RC梁剛度確定方法的研究”(2019-3)、黑龍江省大學生創新創業項目“基于有限元的鋼筋混凝土梁的仿真模擬”(202010234060),對損傷的鋼筋混凝土梁進行靜載試驗,同時基于有限元理論,給鋼筋混凝土梁損傷過程以及極限加載過程進行模擬,獲得了損傷梁靜載下極限抗彎承載力的數值分析結果后,對不同設計參數的損傷梁在各個荷載水平下的力學響應進行了系統分析,提出了鋼筋混凝土損傷梁及靜載試驗的仿真模擬方法,給鋼筋混凝土結構的優化設計、受損構件的數值模擬、損傷梁的承載力預估提供了參考。

1 試驗概況

1.1 試驗設計

設計9片矩形截面簡支試驗梁,試驗梁長1 600 mm,截面尺寸b×h=150 mm×200 mm,計算跨徑1 400 mm。混凝土強度等級為C30、C40、C50。箍筋采用HPB300(采用雙肢箍筋方式),設計配箍率為0.45%,即強剪弱彎受力特點,以確保梁體最終呈受彎破壞,縱向受拉鋼筋采用HRB400。混凝土、鋼筋技術參數見表1、表2,各試驗梁的情況見表3。

表1 混凝土技術參數表

表2 鋼筋技術參數表

表3 試驗梁匯總表

1.2 加載設計

試驗梁的損傷及極限加載試驗設計見圖1。采取跨中逐級加載方式制造梁體的預裂損傷,損傷荷載設計為該梁極限荷載的60%、80%,在制造損傷階段采用千斤頂手動單調分級加載,每級加載均間隔15 min,確保每級荷載不大于該梁開裂荷載的20%,待梁體開裂后,每級荷載不大于該梁計算極限荷載的10%。在接近計算開裂荷載的90%時,每級加載控制在極限荷載的5%以內,同時觀測縱筋應變變化情況,獲得準確的實際開裂荷載,預損傷的最后一級荷載持荷72 h后卸載,完成預損傷梁制作。然后進行損傷梁的破壞試驗,在原加載點進行分級加載直至梁體破壞,每級荷載不大于該梁計算極限荷載的10%。在接近計算極限荷載的90%時,每級加載控制在極限荷載的5%以內,同時觀測縱筋應變變化情況,獲得準確的實際屈服荷載和極限荷載,實現損傷梁的極限受彎破壞[1-3]。

a-試驗梁;b-滑動鉸鏈;c-固定鉸鏈;d-支墩;e-液壓千斤頂;f-反力梁。圖1 試驗梁加載圖(單位:mm)

當試驗梁體內縱筋屈服,且梁體外出現以下現象時,表征梁體破壞。

(1)梁體主裂縫延伸至加載點附近,并在梁底貫通;

(2)受壓區混凝土壓碎;

(3)梁體出現多條短裂縫且混凝土壓碎;

(4)裂縫寬度達到1.5 mm。

1.3 損傷梁破壞機理

以試驗梁C1為例,損傷荷載為極限荷載的60%,開裂荷載為23.2 kN,在預裂損傷階段梁受彎區側面底部出現7條裂縫,最長裂縫長13 cm,寬0.13 mm,如圖2所示,此時鋼筋尚處于彈性階段,混凝土局部開裂喪失抗拉強度,最深裂縫延梁體內部向上延伸至24 cm,預裂荷載卸載后各裂縫均恢復閉合狀態,梁體整體處于彈性狀態。在對損傷梁進行進行極限破壞過程中,荷載為42 kN時,梁體舊裂縫開始向上延伸,此時混凝土雖出現裂縫進展,但在箍筋作用和縱筋銷栓作用下仍能發揮部分抗拉能力,縱筋承擔主要抗拉作用;荷載為181.3 kN時,裂縫寬度達到1.31 mm,深度延伸至28 mm,在梁底形成貫通縫,此時縱筋達到屈服,撓度達到5.98 mm,混凝土加載鋼墊板下混凝土出現壓碎破壞,梁體呈現典型受彎破壞形態,如圖3所示。

圖2 試驗梁C1預裂損傷圖(單位:mm)

圖3 試驗梁C1極限破壞特征圖

2 仿真分析

為模擬鋼筋混凝土的損傷以及靜載下破壞過程,基于試驗梁設計參數,采用非線性有限單元法建立了鋼筋混凝土梁的仿真模型,模擬試驗梁損傷及靜載試驗過程,經對比試驗梁的試驗結果驗證了仿真模型的有效性及數值分析的準確性。

2.1 有限元仿真試驗設計

采用Ansys有限元軟件對鋼筋混凝土損傷梁靜載試驗進行仿真模擬和數值分析。仿真模型設計為:以縱筋配筋率、混凝土強度、損傷程度為變量參數,共設計了32個有限元計算模型,具體參數如表4所示。每組模型都單獨改變某一影響因素參數,其他設計因素保持不變。幾何模型采用整體式建模方法,先采用建立混凝土模型,然后對混凝土結構體中鋼筋位置進行切割,切線為縱向鋼筋和箍筋,然后對混凝土和鋼筋賦予相應材料參數,混凝土采用solid65單元,鋼筋采用link10單元。采用彈簧單模擬混凝土與鋼筋之間的滑移。為防止應力集中,在加載點處設計混凝土矩形墊板,尺寸為b×l=100 mm×150 mm,選用solid45單元,采取區域拉伸法建立墊板模型。兩支座處建立大小為b×l=100 mm×150 mm的墊塊,建模方式與墊板一致。鋼筋和混凝土單元網格劃分尺寸均為5 mm,計算精度為0.035。模型加載分為3個荷載步,第1荷載步為預損傷加載,加載分級與試驗分級相同,每級加載分50個子荷載步,50次迭代計算;第2荷載步為卸載,采取5級卸載模式分級卸載;第3荷載步為損傷梁極限加載,加載分級和子步數設計與第一荷載步相同[4]。

表4 有限元模型設計參數

2.2 混凝土損傷模擬

目前較為常用的混凝土裂縫模擬方法中,一種是提取混凝土單元的應力應變關系,計算單元損傷因子后修改混凝土強度參數,如彈性模量等,進而通過降低梁的整體混凝土強度來實現損傷,這種方法能夠計算出梁體極限承載力,但缺點是無法在模型中體現裂縫位置和寬度,且計算結果與實際偏差較大。還有一種方法是采用Ansys軟件中生死單元法模擬混凝土損傷,即在預裂階段查找開裂損傷的混凝土單元并殺死該單元,使該單元應力應變關系中,矩陣貢獻為0[5,6],然后再對該損傷梁進行極限加載計算,從而模擬損傷梁極限荷載試驗過程,該方法對網格劃分要求較高,如果網格尺寸過大,則會導致裂縫處生死單元尺寸過大,單元殺死后裂縫過大,與實際情況契合度低,如果選擇微小尺寸單元計算,裂縫處生死單元處裂縫表現較好,全局自適應網格細化方法導致計算量過大,局部自適應網格方法和手動調整網格方法計算量小,但是需要事先預定裂縫位置,再對裂縫位置的單元網格進行劃分。由于試驗梁設計尺寸較小,劃分小尺寸網格不會造成計算量過大,采取第二種方法模擬混凝土梁的開裂損傷,即建立模型后,選擇全局自適應網格法劃分網格,為了確保精度把網格尺寸設定為5 mm,然后對梁體逐級施加損傷設計荷載,達到既定損傷程度后,查找壓碎的混凝土單元并殺死該單元,然后卸載,完成損傷階段。隨即再對損傷梁進行逐級加載,直至梁體達到極限破壞,獲得此時的極限承載力。

2.3 有效性驗證

以試驗梁B2、B3、B4為對比梁,先建立對比梁的仿真模型,然后找出試驗過程中梁體的裂縫位置,裂縫處幾何參數(長度、寬度、坐標、走向等),將參數帶入到仿真模型中,殺死裂縫處所在單元,完成損傷梁模擬,然后再進行極限加載荷載步計算,最終獲得損傷梁的極限荷載。將仿真模型數值計算結果與試驗結果對比,如表5所示,誤差在7.14%～10.25%之間。

表5 試驗屈服荷載、極限荷載與模型計算值對比表

3 試驗及仿真結果分析

3.1 設計因素對承載力的影響

利用統計方法對試驗結果數據和仿真模型計算數據進行了系統分析。

圖4損傷程度為80%、設計6個不同縱筋配筋率、保持其他設計參數不變條件下,對損傷梁進行加載試驗時梁體內箍筋應變與荷載之間的關系曲線。圖4中顯示,其他設計參數相同條件下,當縱筋配筋率由1.0%提高到1.2%、1.4%、1.6%、1.8%、2.3%時,50 kN荷載下箍筋應變值減小程度為35%、41%、47%、48%、53%,可見當梁體受到損傷時力學響應與未受損鋼筋混凝土梁相似。圖5損傷程度為60%、設計4個不同混凝土強度、保持其他設計參數不變條件下,對損傷梁進行加載試驗時損傷梁體內箍筋應變與荷載之間的關系曲線。圖5中顯示,其他設計參數相同條件下,當混凝土強度由C30提高到C40、C50、C60時,60 kN荷載下箍筋應變值減小程度為10%、16%、21%。

圖4 不同縱筋配筋率下損傷80%梁體內箍筋應變-荷載關系圖

圖5 不同混凝土強度下損傷80%梁體內箍筋應變-荷載關系圖

3.2 損傷程度對承載力的影響

圖6為縱筋配筋率1.0%條件下梁體損傷程度依次為60%、70%、80%、90%時,損傷程度與極限承載力之間的關系曲線。圖6顯示,損傷程度為原梁極限承載力的60%～70%的情況下,損傷梁的極限承載力為原梁的85%～90%之間,損傷程度為梁極限承載力的70%～90%的情況下,損傷梁的極限承載力為原梁的80%～85%之間。

圖6 縱筋配筋率1.0%下損傷程度-極限承載力關系圖

4 結 論

通過對鋼筋混凝土損傷梁的極限承載力試驗及仿真分析,得出以下結論。

(1)損傷程度對鋼筋混凝土梁的極限承載力存在影響,損傷程度為原梁極限承載力的60%～70%,損傷梁的極限承載力為原梁的85%～90%之間,損傷程度為梁極限承載力的70%～90%,損傷梁的極限承載力為原梁的80%～85%之間。

(2)其他設計參數相同條件下,當縱筋配筋率由1.0%提高到1.2%、1.4%、1.6%、1.8%、2.3%時,50 kN荷載下損傷梁箍筋體內應變值減小程度為35%、41%、47%、48%、53%;當混凝土強度由C30提高到C40、C50、C60時,60 kN荷載下損傷梁體內箍筋應變值減小程度為10%、16%、21%。

(3)數值模型能夠模擬鋼筋混凝土梁的損傷和靜載試驗過程,計算結果誤差在7.14%～10.25%之間。