再生混凝土梁抗弯性能非线性有限元分析

2009年󰀁第30卷󰀁第3期

再生混凝土梁抗弯性能非线性有限元分析

徐文胜,翟全礼,代󰀁杰,李继能

有限公司,武汉430051)

1

2

2

1

(1.华中科技大学土木工程与力学学院,武汉430074;2.湖北高路公路工程监理咨询

摘󰀁要:󰀁采用有限元软件ANSYS对再生混凝土梁的抗弯性能进行非线性有限元分析。针对不同的再生粗骨料取

代率和纵向受拉钢筋配筋率,在其余试件参数完全相同的情况下,研究再生混凝土梁正截面的抗弯性能。分析结果表明再生混凝土梁与普通混凝土梁的变形和裂缝开展情况基本相同,但抗弯刚度和延性存在差异。随着再生粗骨料取代率的增加,再生混凝土梁的抗弯刚度有下降的趋势,但延性有所提高。另外,随着纵向钢筋配筋率的增大,梁的抗弯承载力不断提高,但变形能力逐步下降。最后,再生混凝土梁的抗弯过程与普通混凝土梁基本相同,平截面假定仍然成立。

关键词:󰀁再生混凝土梁;󰀁正截面;󰀁抗弯性能;󰀁非线性有限元

NonlinearFiniteElementAnalysisonFlexuralBehaviorof

RecycledConcreteBeams

XUWen󰀁sheng,ZHAIQuan󰀁li,DAIJie,LIJi󰀁neng

1

2

2

1

(1.SchoolofCivilEngineeringandMechanics,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China;

2.HubeiExpresswayEngineeringSupervisionandConsultingCoLtd,Wuhan430051,China)

Abstract:󰀁Thispapermainlydiscussestheflexuralbehaviorofrecycledconcretebeamsusingnonlinearfiniteelementby

thesoftwareANSYS.Withthesamespecimenparametersbutdifferentreplacementratioofrecycledcoareaggregateandthepercentageofverticalreinforcement,thenormalsectionflexuralbehaviorofrecycledaggregateconcretebeamswereinvesti󰀁gated.Theanalysisshowsthattheflexuralrigidityofrecyledconcretebeamreduces,theductilityofrecyledconcretebeamisimprovedwiththeincreaseofcoarseaggregatecontent,wherea,thedeflectionandcrackdevelopmentaresimilartothenatu󰀁ralaggregateconcretebeam.InadditionTheflexuralcapacityisincreased,whilethedeflectioncapacityisdecreasedgraduallywiththeincreaseofthepercentageofverticalreinforcement.Finally,theflexuralprocessofrecycledconcretebeamisapproxi󰀁matelythesametothenaturalaggregateconcretebeam,andtheplain-sectionpresumptionofordinaryconcretebeamofflexureisalsoappliedtorecycledconcretebeam.

Keywords:󰀁recyledconcretebeam;󰀁normalsection;󰀁flexuralbehavior;󰀁nonlinearfiniteelement󰀁󰀁随着经济高速发展,一方面由于每年市政拆迁、改造加固产生的废弃混凝土以及商品混凝土厂、预制构件厂排放的废弃混凝土量十分巨大;另一方面天然砂石骨料资源供应趋于紧张且开采和运输能耗与费用惊人,过分开采对生态环境的破坏十分严重。如果能将废弃混凝土破碎为级配合理的再生骨料,配置节约天然砂石资源保护环境的绿色混凝土,可以缓解骨料供求矛盾,减轻城市环境污染,有利于环

境保护。因此,充分利用工业废渣生产绿色混凝土,

[1]

是混凝土行业可持续发展的重要方向。目前,国内外众多学者偏重于再生混凝土材料性能的研究,对再生混凝土构件受力性能的相关研究较少

[2]

,因

此对再生混凝土在抗弯构件中的抗弯机理需进行深入研究。文中拟采用有限元软件ANSYS对再生混凝土梁抗弯性能进行非线性有限元分析。

17建材世界󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

1󰀁试件设计

共制作9根混凝土简支梁,其中3根为普通混凝土梁(RC0),3根为再生粗骨料取代率为50%的再生混凝土梁(RC50),3根为再生粗骨料取代率为100%的再生混凝土梁(RC100)。简支梁配有受拉主筋、受压钢筋、箍筋。梁的跨度尺寸以及截面配筋详见图1和图2。为了使简支梁不发生受剪破坏,所有试件剪弯区采用相同的配箍率0.%。试件全部采用矩形截面尺寸为150mm󰀂300mm,长度为2550mm,净跨为2400mm。

主要研究在不同再生粗骨料取代率和纵向钢筋配筋率下再生混凝土梁的正截面抗弯性能。通过理论计算结果,得出再生混凝土梁的荷载与挠度关系、开裂荷载、屈服荷载、极限荷载等。探讨再生粗骨料

表1󰀁试件设计参数

试件编号RC0󰀁1RC0󰀁2RC0󰀁3RC50󰀁1RC50󰀁2RC50󰀁3RC100󰀁1RC100󰀁2RC100󰀁3

纵向受拉筋配筋率󰀁%2󰀁142󰀁182󰀁222󰀁142󰀁182󰀁222󰀁142󰀁182󰀁22

0.1.1.0.1.1.0.1.1.772790772790772790

再生粗骨料取代率󰀁%

000505050100100100

受压钢筋2󰀂82󰀂82󰀂82󰀂82󰀂82󰀂82J󰀂82󰀂82󰀂8

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取代率和纵向钢筋配筋率对再生混凝土梁抗弯性能的影响情况。再生混凝土梁试件参数见表1。

图1󰀁加载位置及简支梁几何尺寸(mm)

图2󰀁箍筋及受压钢筋(mm)

箍筋及配箍率󰀁%

󰀂8@75󰀂8@75󰀂8@75󰀂8@75󰀂8@75󰀂8@75󰀂8@75󰀂8@75󰀂8@75

0.0.0.0.0.0.0.0.0.

2󰀁有限元分析

采用有限元软件ANSYS研究再生混凝土梁的抗弯性能。考虑材料的非线性,但不考虑混凝土与钢筋间的滑移。利用ANSYS后处理功能,绘制荷载与跨中挠度的关系曲线,从再生混凝土梁的开裂荷载、屈服荷载和极限荷载等3个方面探讨再生混凝土梁的抗弯性能,讨论再生粗骨料取代率和纵向钢筋配筋率等设计参数对再生混凝土梁抗弯性能的影响。

2.1󰀁有限元模型

再生混凝土混凝土采用块体SOLID65单元,钢筋采用管道单元PIPE20单元。不考虑钢筋与混凝土之间的粘结滑移,混凝土与钢筋的组合采用分离式模型,即用管道单元PIPE20与混凝土单元SOL󰀁

[3]

ID65共用节点。试件的网格划分如图3所示,其中的钢筋单元如图4所示。

采用Willam󰀁Warnke屈服模型定义混凝土的破坏面。为了反映再生混凝土的特性,其中混凝土的弹性模量、泊松比和单轴应力应变曲线按再生混凝18图4󰀁钢筋单元模型(1󰀁2)图3󰀁再生混凝土梁有限元模型(1󰀁2)

建材世界󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

土材料特性确定,再生混凝土的单轴应力󰀁应变关系曲线采用过镇海提出的合适普通混凝土的方程

[1,4]

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载。由于有限元分析考虑了混凝土与钢筋材料的非线性,在混凝土开裂前计算比较容易收敛。混凝土开裂后,随着荷载的增大,计算收敛越来越困难。采用变形控制的加载方式,选择力收敛准则,单元网格的最长边尺寸控制在100mm内。采用完全New󰀁ton󰀁Raphson平衡迭代进行非线性求解,打开自动时间步长控制及线性搜索,所有计算均进行至加载过程全部完成或计算不能收敛为止。打开大变形开关,加载子步为200,结果输出的频率为Writeeverysubstep,在Nolinear选项中设置最大循环次数为50。采用力收敛准则,为加速收敛减少计算时间,精度放宽为5%。

如式1所示。定义混凝土的破坏面的9个参数:1)裂缝张开时的剪力传递系数取0.4,2)裂缝闭合时的剪力传递系数取0.9,3)单轴抗拉强度取ft,4)单轴抗压强度取-1(关闭混凝土压碎开关),其余参数,5)双轴抗压强度,6)静水围压,7)静水围压下的双轴抗压强度,8)静水围压下的单轴抗压强度,9)受拉开裂条件下的刚度乘子等按照约定取默认值。再生混凝土的力学指标见表2,再生混凝土的本构关系取再生混凝土在单调轴向压力下的应力󰀁应变关系方程,实际有限元分析中使用20个点近似曲线来进行有限元分析。再生混凝土梁试件实测力学指标见表2。

表2󰀁再生混凝土梁试件实测力学指标编号

再生粗骨料取代率󰀁%

fcu,k󰀁MPafc,k󰀁MPa

65

ft,k=0.24f0.MPacu,k󰀁

0

Ec󰀁MPa!c

󰀁󰀁注: 0=0.002+0.5(f

3󰀁计算结果分析

该文主要讨论再生粗骨料取代率和纵向受拉钢筋配筋率等参数对再生混凝土梁的抗弯性能的影响。再生混凝土梁的抗弯性能主要包括荷载与挠度关系,开裂荷载、屈服荷载和极限荷载等。开裂荷载取试体受拉区出现第一条裂缝时相应的荷载,屈服荷载取受拉区主筋达到屈服应变时相应的荷载,承受极限荷载取试件承受荷载最大时相应的荷载

表3󰀁再生混凝土梁荷载计算值

试件编号RC0󰀁1RC0󰀁2RC0󰀁3RC50󰀁1RC50󰀁2RC50󰀁3RC100󰀁1RC100󰀁2RC100󰀁3

开裂荷载󰀁kN

17.36

22.2925.6318.9423.9027.2121.3526.2231.69

屈服荷载󰀁kN114.65175.53266.73107.78147.02255.19108.20166.28257.52

极限荷载󰀁kN114.95184.39266.73111.43187.88262.87109.45175.00257.52

[6]

RC0042.031.92.720.0019637000.2

cu,k-

RC50RC100

5010042.0.032.330.42.752.0.002160.00234320023000.20.2

。

50)󰀂10-5,再生粗骨料取代率

100%混凝土峰值应变增大20%,取代率50%混凝土峰值应变增大10%;再生混凝土的泊松比!c取普通混凝土的泊松比0.2。

2

3

ax+(3-2a)x+(a-2)x

Y=

x2b(x-1)+x

0 x<1x!1

(1)

式中,x= 󰀁 󰀁fc。0,y=∀

方程中参数a和b与再生混凝土粗骨料取代率r的关系为

a=2.2(0.748r-1.231r+0.975)

b=0.8(7.83r+1.142)

再生混凝土梁钢筋采用双线性BKIN随动强化模型,相应参数按混凝土结构设计规范确定本构关系如式(2)所示

∀s=

Es sfy

s y s> y

(2)

[5]

2

󰀁󰀁梁在荷载较少时,梁的荷载和挠度接近直线变化,随着荷载的增大到开裂荷载,在梁跨中位置出现

垂直裂缝。随着荷载的继续增加,纵向钢筋达到屈服,达到极限承载力时发生破坏。在不同再生粗骨料取代率下(RC0、RC50、RC100),再生混凝土梁试件的计算荷载值如表3所示。可知,随着再生粗骨料取代率的增大,再生混凝土梁的开裂荷载稍有增加,但屈服荷载和极限荷载均降低。3.1󰀁纵向钢筋配筋率

试件RC0、RC50和RC100在不同纵向钢筋配筋率(0.77%、1.27%和1.90%)下,梁荷载与跨中挠度的关系曲线如图5~图7所示,可知再生混凝土梁与普通混凝土梁相同,也具有明显的弹性阶段、带裂缝工作阶段和破坏阶段。在弹性阶段,荷载挠度关系呈线性关系;开裂后至纵向钢筋屈服阶段,

19。钢筋

式中,Es为钢筋的弹性模型; y为钢筋屈服应变;fy为钢筋屈服应力。

2.2󰀁边界条件及求解

再生混凝土梁具有对称性,将Z=0的面设置成对称面约束。将Y=0,Z=-1275的边界底部节点沿X和Y方向的自由度约束,使其成为铰支座。在Y=300,Z=-600节点施加Y方向的荷

建材世界󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

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跨中挠度较普通混凝土的挠度稍大些。当纵向钢筋配筋率较低的时候,在同一配筋率的情况下,再生混凝土梁的抗弯承载力与普通混凝土梁相差不大,但随着配筋率的增加,抗弯承载力不断增大。

图5󰀁再生粗骨料取代率(0%)荷载与挠度关系

图8󰀁纵向受拉钢筋配筋率(0.77%)荷载与挠度关系

图6󰀁再生粗骨料取代率(50%)荷载与挠度关系

图9󰀁纵向受拉钢筋配筋率(1.27%)荷载与挠度关系

图7󰀁再生粗骨料取代率(100%)荷载与挠度关系

荷载与挠度呈非线性变化;纵向钢筋屈服后,荷载挠度曲线开始进入下降阶段,直至破坏。混凝土梁的开裂荷载、屈服荷载和极限荷载均随纵向钢筋配筋率的增加而显著增加。配筋率为0.77%、1.27%和1.90%的梁的延性依次降低。从而可知纵向钢筋配筋率对再生混凝土梁的抗弯性能影响较大。3.2󰀁再生粗骨料取代率

当试件的纵向钢筋配筋率为0.77%、1.27%和1.90%时,在不同的再生粗骨料取代率(0%、50%和100%)下,梁荷载与跨中挠度的关系曲线见图8~图10,可知由于再生混凝土的弹性模量较普通混凝土小,且随着再生粗骨料取代率的增加不断降低。在试件开裂前,梁的抗弯刚度随再生粗骨料取代率的增加依次降低。从而在相同荷载作用下,再生混凝土梁的20图10󰀁纵向受拉钢筋配筋率(1.90%)荷载与挠度关系

再生混凝土梁抗弯性能较普通混凝土没有明显降低,而刚度有所下降。由计算结果分析可知,再生混凝土在抗弯过程中,正截面上的平截面假定仍然成立。当纵向钢筋配筋率为0.77%和1.27%时,试件均表现出良好的延性,且再生混凝土梁的延性稍高,属于适筋梁破坏;当纵向配筋率为1.90%时,试件的屈服荷载与极限荷载相差不太,纵向钢筋屈服时,混凝土也被压坏,梁的变形能力下降,表现∀脆性破坏#的特征。

(下转第24页)

[7]

建材世界󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

参考文献

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的裂缝成因分析与修补[J].公路交通科技,2006,23(6):85󰀁88.

收稿日期:2009󰀁04󰀁15.

2009年󰀁第30卷󰀁第3期

[4]󰀁景󰀁强,丁庆军,高纪宏.大跨箱梁抗裂混凝土配合比

优化设计[J].武汉理工大学学报,2008,30(4):32󰀁35.

作者简介:夏京亮(1984󰀁),硕士生.E󰀁mail:xiasnxia@126.com

(上接第20页)

4󰀁结󰀁论

a.再生混凝土梁的破坏过程与普通混凝土梁基

本相似,都具有明显的弹性、开裂、屈服和极限等受力特点。

b.随着再生粗骨料取代率的增大,再生混凝土梁的开裂荷载稍有增加,但屈服荷载和极限荷载均降低。

c.随着纵向钢筋配筋率的增大,再生混凝土梁的极限荷载不断增加,配筋率达到一定值时,变形能力下降,表现脆性破坏的特征。

d.随着再生粗骨料取代率的增大,再生混凝土梁的抗弯刚度不断下降,但在抗弯过程中,正截面上的平截面假定仍然成立。

2007.

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[5]󰀁中华人民共和国国家标准,混凝土结构设计规范

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