劲性钢筋轻骨料混凝土梁正截面受弯数值模拟

张俊杰， 周永发， 张秋媛

(1.黑龙江科技学院 建筑工程学院，哈尔滨 150027;2.北京飞箭软件有限公司，北京 100098)

劲性钢筋轻骨料混凝土梁正截面受弯数值模拟

张俊杰1， 周永发2， 张秋媛1

(1.黑龙江科技学院 建筑工程学院，哈尔滨 150027;2.北京飞箭软件有限公司，北京 100098)

为研究劲性钢筋轻骨料混凝土构件的抗裂性能，采用跨中集中荷载的加载方式，通过数值模拟，分析劲性钢筋轻骨料混凝土梁受弯构件变形与荷载的关系。模拟结果表明:劲性钢筋轻骨料混凝土梁刚度较大，但破坏时挠度很大，有很好的延性。当受压区混凝土压碎破坏时，试验梁仍具有很大的承压能力。随着跨中荷载的增大，梁的位移变形也随之增多。跨中荷载增加到40 t时，梁的位移变形开始大幅度增大，导致混凝土开裂。混凝土开裂后，试件截面刚度退化，裂缝宽度增幅显著，裂缝宽度逐渐加宽。试件梁开裂后，裂缝宽度随荷载变化的增长趋于稳定，抗裂性能较好。模拟结果与试验值相符。

劲性钢筋轻骨料混凝土梁;正截面受弯;裂缝

0 引言

劲性钢筋混凝土具有强度高、刚度大、延性好［1］、耐久性好以及减小结构自重和抗震等优点。许多高层、超高层、大跨结构工程设计中已开始使用。由于劲性钢筋轻骨料混凝土在国内研究起步较晚，有关的工程设计参照国外规范，在设计方法上很不统一。国外对劲性钢筋轻骨料混凝土研究较早，但各国的计算理论及设计方法也不一样［2］。该类构件与型钢混凝土构件一样，正常使用时易出现裂缝，降低构件承载力，给施工带来安全隐患，因此，必须控制裂缝的宽度。在吸取国外设计经验的基础上开展对劲性钢筋轻骨料混凝土结构的实验研究，可为我国统一的设计规范或规程的制订提供依据。为此，笔者分析了劲性钢筋轻骨料混凝土梁正截面受弯时的最大裂缝及梁受力情况，研究劲性钢筋轻骨料混凝土受弯构件的基本受力性能、破坏机理。

1 有限元分析

混凝土的本构关系是非线性弹性本构关系。其特点是:轻骨料混凝土是一种脆性材料，破坏形式包括受压压碎或受拉开裂，混凝土材料在空间上可以看作是各向同性，即x轴、y轴、z轴受力性能相同，但是单轴受力情况下受拉区和受压区差异较大。受拉区基本上为线弹性，受拉强度仅为受压强度的1/10左右。受压区屈服后混凝土“软化”，本构曲线有下降段。笔者在计算模型中采用了五参数willamwarnke破坏准则，它被用来检查混凝土的开裂和压碎。

式中:σm——平均应力;

ρt、ρc——分别为垂直于拉伸子午线(θ=0)和压缩子午线(θ=60°)处静水压力轴的应力分量;

a0、a1、a2、b1、b2是材料常数，破坏函数的这五个参数由下列五个破坏状态确定，单轴抗压强度f'c，单轴抗拉强度f't=0.1f'c，双轴抗压强度f'bc=1.15f'c，当σ1＞σ2=σ3时，有侧限的双向抗压强度(σmc，ρc)=(－1.95f'c，2.77f'c);当σ1=σ2＞σ3时，有侧限的双向抗压强度:(σm，ρt)=(－3.9f'c，3.461f'c);常数a0=0.102 5，a1=－0.840 3，a2=－0.091 0，b1=－0.450 7，b2=－0.101 8。

钢骨本构关系及屈服准则型钢的本构关系简化为理想弹塑性模型，考虑其应力应变关系中的强化段包兴格效应等其它因素。此模型采用 Von Mises强度准则、双线性随动强化模型(BKIN)以及不相关流动法则。Von Mises等效应力定义为

式中，σ1、σ2、σ3是主应力。当等效应力超过材料的屈服应力时发生屈服，屈服准则表示为

2 数值模拟

为了清楚地反映劲性钢筋轻骨料混凝土梁的应力、应变以及裂缝开展情况，选用劲性钢筋轻骨料混凝土梁，文中采用3D实体模型，充分考虑模型精度和计算机分析时间之间的关系，力求使模型与实际情况的一致性。跨中集中荷载加载方式进行的开裂模型如图1所示，梁截面尺寸如图2所示，其材料参数如表1。

图1 劲性钢筋混凝土梁模型Fig.1 Model of concrete beam with formed steel light aggreate

图2 劲性钢筋混凝土梁截面尺寸Fig.2 Section size of concrete bean with formed steel light aggreate

劲性钢筋轻骨料混凝土梁模型采用的是钢筋与轻骨料混凝土分离式模型［3－4］。钢筋采用的是link8单元，为三维杆单元;轻骨料混凝土选用的是solid65单元模拟。该单元是软件中三维钢筋混凝土实体单元，能够计算拉裂和压碎。利用其独特的加筋功能，可以定义三种不同规格的钢筋。钢板以及支座处的垫板用的是solid65单元，是一种八节点三维结构实体单元，每个节点有三个自由度，即沿节点坐标系x，y，z方向的平动。在数值模拟分析梁的网格划分为图3，模拟结果如图4～7。

表1 材料参数Table 1 Material parameters

模拟结果图4～7显示，劲性钢筋轻骨料混凝土梁刚度较大，其钢筋下翼缘屈服时挠跨比1/360，能满足要求。但破坏时挠度很大，劲性钢筋轻骨料混凝土梁的延性比值也很大，平均值为10.4，说明其延性好。劲性钢筋轻骨料混凝土梁跨中截面应变分布符合平截面假定，临近破坏时，劲性钢筋与轻骨料混凝土之间出现滑移，比普通钢筋混凝土梁有很大提高。

图3 劲性钢筋混凝土梁网格划分Fig.3 Mesh generation concrete beam with forzned steel light aggregate

图4 劲性钢筋混凝土梁第一主应力分布情况Fig.4 First main stress distribution of concrete beam with formed steel light aggregate

图5 劲性钢筋混凝土梁第二主应力分布情况Fig.5 Second main stress distribution of concrete beam with formed steel light aggregate

图6 劲性钢筋混凝土梁第三主应力分布情况Fig.6 Third main stress distribution of concrete beam with formed steel light aggregate

图7 劲性钢筋混凝土梁主应力分布情况Fig.7 Main stress distribution of concrete beam with formed steel light aggregate

由图8荷载－位移图可以看出，随着跨中荷载的不断增加，梁的位移变形也随之增多。当跨中荷载增加到40 t时，梁的位移变形开始大幅度增加，轻骨料混凝土出现开裂。混凝土开裂后，试件截面刚度退化，裂缝宽度逐渐加宽［5］。但是试件梁开裂后，裂缝宽度随荷载变化的增长趋势逐渐稳定，抗裂性能较好。

图8 劲性钢筋混凝土梁位移力分布情况Fig.8 Oisplacement and strees of distribution concrete beam with formed steel light aggregate

3 结论

劲性钢筋轻骨料混凝土梁刚度较大，但破坏时挠度很大。同时，它有很好的延性，当受压区混凝土压碎破坏时，试验梁仍具有很大的承压能力。其跨中截面应变分布符合平截面假定，临近破坏时，劲性钢筋与轻骨料混凝土之间出现滑移，比普通钢筋混凝土梁有很大提高。梁的位移变形随载荷变化而增加，在跨中荷载增加到40 t时，变形开始大幅度增大，轻骨料混凝土出现开裂。混凝土开裂后，试件截面刚度退化，裂缝宽度增幅显著，裂缝宽度逐渐加宽。试件梁开裂后，随荷载变化的增长趋势裂缝宽度趋于稳定，抗裂性能较好。

［1］赵鸿铁.钢与混凝土组合结构［M］.北京:科学出版社，2001.

［2］PANTAZOPOULOU S J，PAPOULIA K D.Modeling cover-cracking due to reinforcement corrosion in RC structures［J］.Journal of Engineering Mechanics，2001，4127(4):342－351.

［3］中国建筑科学研究院.JGJ 138—2001型钢混凝土组合结构技术规程［S］.北京:中国建筑工业出版社，2002.

［4］张俊杰，刘书贤.劲性钢筋混凝土梁斜截面承载力的试验研究［J］.混凝土，2005(2):39－42.

［5］何 陶.劲性钢筋混凝土梁正截面受弯裂缝的试验研究［D］.哈尔滨:黑龙江科技学院，2009.

［6］贾远林，陈世鸣.预应力组合梁负弯矩作用下梁端转动能力研究［J］.河北工程大学学报:自然科学版，2009，26(1):14－20.

Numerical simulation of cross-section bending of concrete beam with formred steel light aggregate

ZHANG Junjie1， ZHOU Yongfa2， ZHANG Qiuyuan1
(1.College of Civil Engineering，Heilongjiang Institute of Science＆Technology，Harbin 150027，China; 2.Beijing FEGEN Soft Co.Ltd.，Beijing 100098，China)

Aimed at the effective control of deformation of steel reinforced light aggregate concrete component，this paper is an analysis of relationship between member deformation of reinforced light aggregate concrete beam on the normal section and load by applying concentrated load across the mid-span and through numerical simulation.The simulation results show that the reinforced light aggregate concrete beam gives a bigger rigidity，but in case of the destruction，reinforced light aggregate concrete has a large deflections.The reinforced light aggregate concrete beam exhibits a better ductility.The test beam still has great bearing capacity when the compressive zone of light aggregate concrete is subjected to crushing damages.The increasing deformation is accompanied by the increasing deformation displacement of the concentrated load across the mid-span.40－ton load in the mid span gives the beam a dramatically increasing displacement deformation，with resultant cracking in light aggregate concrete.Concrete cracking is followed by degrading stiffness of the specimen section，the increasing crack width，and the widening crack width.Specimen beams，subjected to cracking，show crack width which tends to be relatively stable with the load growth，and a better crack resisting performance.The simulation results fits better with the experimental values.

concrete beam with formed steel light aggregate;crack;cross-section bending

TU377

A

1671－0118(2011)04－0321－04

2011－06－16

黑龙江省教育厅科学技术研究项目(10553088)

张俊杰(1965－)，女，辽宁省沈阳人，副教授，硕士，研究方向:劲性刚筋轻骨料混凝土结构，E-mail:zhangxinyuan@yeah.net。

(编辑晁晓筠)