持续荷载作用下混凝土构件的力学性能研究

鲁丽华，杨敏基，陈四利

(沈阳工业大学 建筑工程学院，沈阳 110870)

钢筋混凝土结构广泛应用在房屋建筑、道路桥梁、水工港口等工程中，对性能的可靠性要求是毋庸置疑的。学者们为了研究钢筋混凝土结构的可靠性进行了大量的试验研究，然而由于实际构件尺寸较大，做一次实验需要耗费相当多的人力、物力和财力，而有些结构由于其复杂的约束条件，利用实验手段几乎很难进行;进行缩尺实验往往其结果与实际情况相差较大。利用有限元计算分析软件对钢筋混凝土结构性能进行数值模拟，可以降低研究成本、提高研究效率［1］。学者们利用已有实验数据进行对比研究［2-5］，通过对实验数据和数值模拟的结果准确性的验证，把数值仿真过程进行优化，使得数值模拟更加贴近实际。各类复杂边界条件也能够较完整地在仿真模拟中实现，因此，有限元仿真技术对混凝土性能的研究具有重要的作用。

ABAQUS是国际上最先进的大型通用有限元计算分析软件之一，它可以分析复杂的工程力学问题，拥有求解大型规模问题的能力，以其精于非线性问题分析和复杂问题的求解见长，其非线性力学分析的功能达到了世界领先水平。本文利用其优秀的非线性分析能力对持续荷载作用下的钢筋混凝土构件进行了数值模拟，模拟的结果与实验结果比较接近。为了验证数值模拟的正确性和可行性，本文进行了在持续荷载作用下压弯构件的承载力的实验，然后利用ABAQUS进行了数值模拟。

1 持续荷载作用的试验

1.1 试验制备

本试验水泥选用普通硅酸盐525水泥，砂采用河砂，细度模数2.6;碎石粒径5～25 mm;高效引气减水剂，减水量10% ～15%;钢筋分别选用二级Φ14和Φ8及一级Φ8和Φ6的钢筋。

参照混凝土规范及标准试验方法配置了C50混凝土，制作6个如图1所示的钢筋混凝土试件，试件的厚度为120 mm，在室温(20℃ +3℃)下养护28 d，并将其分为2组，第1组不加载;第2组加载12.5 kN;在室温潮湿的环境下放置4个月。

用千斤顶加载，加载速率为0.3～0.5 N/s，如图2所示。

表1 试验结果

图1 构件尺寸

图2 钢筋混凝土试件加载架

1.2 实验结果

每组的指标取3个试件的平均值，其试验结果见表1。并根据荷载和挠度及其他变形的关系制作荷载和混凝土压应变曲线及荷载和混凝土受拉面平均应变曲线如图3、图4、图12、图13所示。

图3 荷载与挠度的关系曲线

图4 荷载与钢筋的拉应变关系曲线

2 有限元数值模拟

2.1 混凝土模型

混凝土是一种准脆性材料，具有低抗拉、高抗压、易开裂的性能。正确理解和定义混凝土材料属性是分析钢筋混凝土结构的关键之一。ABAQUS软件提供了3种混凝土本构模型，可根据分析对象的不同要求进行选择。这3种不同的本构模型分别是:脆性破裂模型、弥散裂缝模型和损伤塑性模型。

本文选用损伤塑性模型。它通过各向同性损伤弹性和各向同性拉伸压缩塑性来描述混凝土的非弹性性能，并且能对承受各种荷载的混凝土结构进行模拟分析。

混凝土采用八节点线性减缩积分六面体C3D8R单元，共划分了3 600个单元如图6所示，模型采用的本构关系曲线，单轴拉伸和压缩应力应变曲线均采用混凝土结构设计规范的应力应变曲线。

图5 混凝土有限元模型

图6 钢筋的有限元素模型

2.2 钢筋模型

钢筋的屈服模型采用的是经典塑性理论，是用Mises屈服面来定义各向同性屈服。钢筋应力应变关系计算模型参数按混凝土结构设计规范中的数据，并选择理想弹塑性模型作为模拟计算模型。

本文的钢筋采用二节点桁架T3D2单元。普通钢筋划分了1 276个单元，钢筋的弹性模量HPB235钢筋选用2.1×105 MPa，HRB400钢筋选用2.1×105 MPa，泊松比均为0.3。

2.3 降温法持续加载

在实验中钢筋混凝土构件加载是采用类似于预应力的加载方法，在施加荷载的位置张拉一个钢筋，然后将其锚固在混凝土构件中。在有限元中则按照施加预应力筋的方法，通过降温法对施加预应力。实验时取为构件极限荷载的50%，即12.5 KN，有限元中降温的温度为-43℃。

2.4 边界条件

实验中的钢筋混凝土构件所采用的混凝土强度等级为C50，所采用的钢筋为HPB235和HRB400。混凝土和钢筋采用八节点线性减缩积分六面体C3D8R单元和二节点桁架T3D2单元进行分别建模，钢筋使用Embedded命令加入混凝土当中。为了防止加载处由于应力集中所导致的局部破坏，在加载处定义了参考点，然后在参考点和混凝土构件的受力面之间建立耦合约束。边界条件是对构件的一端的x方向和y方向的平动自由度进行约束，构件的另一端对y方向的平动自由度进行约束。

2.5 加载过程及分析步类型的选择

本文加载过程选用的是ABAQUS/Explicit显式动态分析求解器。在实验过程中，钢筋混凝土构件使用千斤顶匀速缓慢加载，平均每分钟加载0.2～0.3 kN，直到试件破坏。实验研究的是结构的静态响应。但利用ABAQUS/Explicit中的Smooth Step选项，定义简单的固定幅值类型，就会自动生成尽可能平滑的加载幅值。使得分析的问题成为准静态问题，既节约时间又保证有足够的准确性。

3 数值模拟结果

图7、图8、图9、图10分别为混凝土和钢筋的应力和应变的云图，图11为构件的位移云图。

图8 钢筋应力云图

图9 预应力混凝土构析应变云图

图10 钢筋应力云图

图11 混凝土位移云图

图12 预应力混凝土受压面荷载-应变对比曲线

图13 荷载与混凝土拉面平均应变对比曲线

4 模拟与实验的对比分析

将试验数据与模拟试验的数据进行整理，绘制对比曲线如图12、图13所示。由图12和图13可以看出有限元模拟计算结果和实验数据都能够吻合的比较好，曲线发展的趋势也都很相似。最大荷载模拟结果值与实验值的误差都在10%以内。

由此证明了利用本文利用损伤塑性模型建立的钢筋混凝土有限元模型是可行的，可以用于模拟钢筋混凝土构件的计算中，模拟计算的结果、精度都较好。

5 结语

1)筋混凝土构件在持续荷载作用下其承载力降低接近12%。

2)ABAQUS有限元中利用降温法能够很好的模拟对钢筋混凝土构件持续加载。

3)利用ABAQUS有限元的损伤塑性模型建立的钢筋混凝土有限元模型是可行的，可以用于模拟钢筋混凝土构件的计算中，模拟计算的结果精度都较好。

4)利用ABAQUS/Explicit显式动态分析求解器可以用于计算变形较大的钢筋混凝土构件的准静态加载过程，其模拟的结果与试验结果很相似。

［1］Tichanek R，Spaniel M，Divis M.Structural stress analysis of an engine cylinder head［J］.Czech Technical University in Prague，2005，45(3):43-48.

［2］尧国皇，陈宜言，孙占琦.ABAQUS软件在建筑结构构件和节点分析中的应用［J］.广东土木与建筑，2009(9):6-9.

［3］周凯敏，吴炎海.ABAQUS在钢筋混凝土开孔梁模拟中的应用［C］//韩大建，黄炎生，张凯.计算机技术在观察建设中的应用:第十三届全国工程建设计算机应用学术会议论文集.广州:华南理工大学出版社，2006:193-198.

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