取代率和混凝土强度对组合梁受弯性能的影响*

许 伟， 王继忠， 常晓波， 白 杨

(沈阳建筑大学 土木工程学院， 沈阳 110168)

建筑工程

取代率和混凝土强度对组合梁受弯性能的影响*

许 伟， 王继忠， 常晓波， 白 杨

(沈阳建筑大学 土木工程学院， 沈阳 110168)

再生混凝土；组合梁；取代率；交接面滑移；单调荷载；挠度；受弯性能；有限元模拟

近年来，我国的建筑行业迅猛发展.混凝土作为用量最大的建筑材料，其消耗量随着建筑业的发展与日俱增，同时建筑用地的拆迁也带来了大量的建筑垃圾.这些建筑垃圾的运输及处理不仅造成了大量的人力财力消耗，也给环境带来了极大的损害.再生混凝土的开发和应用对资源的回收利用和环境保护有着重大意义，再生混凝土是一种可持续发展的绿色混凝土，其应用解决了混凝土作为最大用量的人造材料对自然资源的占用及对环境造成的负面影响，保证了人类社会的可持续发展.

1 内置型钢再生混凝土梁试验

1.1 再生混凝土本构关系

混凝土的本构关系模型采用ABAQUS提供的Concrete Plastic Damage模型，该模型考虑了混凝土在拉压状态下的内部损伤，既适用于静力分析也适用于动力分析，可以较好地描述混凝土的非弹性行为，且具有很好的收敛性.本文中所用再生混凝土受压本构关系为陈宗平教授在文献[5]中提出的二段式本构方程，本构关系曲线如图1

所示.受拉本构为肖建庄教授编著的《再生混凝土》[6]中提出的本构关系模型，本构关系曲线如图2所示.

图1 再生混凝土受压本构关系Fig.1 Constitutive relationship of recycled concrete under compression

图2 再生混凝土受拉本构关系Fig.2 Constitutive relationship of recycledconcrete under tension

1.2 试验参数

图3 内置型钢再生混凝土组合梁尺寸及加载方式Fig.3 Dimension and loading modes for built-in steel-recycled concrete combination beam

1.3 试验结果对比分析

通过观察比较图4中模拟结果与试验结果可以得出：

图4 内置型钢再生混凝土组合梁的荷载挠度曲线Fig.4 Load-deflection curves for built-in steel-recycled concrete combination beam

4) 直到钢梁完全屈服，此后的承载力主要靠钢梁的变形来维持.加载过程中组合梁经历了弹性阶段、弹塑性阶段和塑性阶段3个阶段[8].

通过试验与模拟结果对比可知，模拟所选用的再生混凝土本构关系比较准确，可以使用该本构关系进行模拟研究.

2.1 模型的建立及网格划分

2.1.1 参数设置

图5 型钢再生混凝土组合梁尺寸及加载方式Fig.5 Dimension and loading modes for steel-recycled concrete combination beam

表1 构件明细Tab.1 Details of components

2.1.2 模型建立

本模拟中混凝土板单元选取C3D8I实体单元(八节点线性六面体单元，非协调模式).非协调模式单元克服了单元与单元之间的剪切自锁问题，在单元扭曲较小时可以得到准确的应力和位移结果，同时，厚度方向上只需要少量单元就可以得到较为准确的计算结果，而计算成本却大幅度降低.由于本模拟中型钢的尺寸远大于其厚度，且在其厚度方向的应力可以忽略，所以型钢采用S4壳体单元(四节点曲面通用壳)建立.该单元适用于平面弯曲问题，求解精确.

本模拟中再生混凝土板内配有钢筋，由于只考虑钢筋抗拉作用，所以采用桁架单元来建立钢筋模型，钢筋单元选取T3D2单元(两节点线性三维桁架单元)，钢筋的本构选取与型钢相同.

单元间的接触和约束条件是模型建立过程中最关键的地方.为了更加真实地模拟组合梁在单调荷载下的受力情况，本模拟中混凝土板和剪力连接件、混凝土板和型钢之间都选择摩擦约束，切向摩擦系数为0.6，法向选择“硬接触”.剪力连接件与型钢之间采用绑定约束.钢筋与混凝土板之间选择嵌入区域的约束方式.

2.1.3 网格划分

本文模型中混凝土板与栓钉全部选取实体单元建立，为了真实地反应出栓钉与混凝土板间的相互作用，混凝土板预先开好与栓钉尺寸大小相适应的孔洞，这样使得混凝土板局部位置变得不规则，不能用简单的全局布种来划分混凝土板网格.需对混凝土板进行切割，将规则部分与不规则部分分开，然后采用全局布种和各边单独布种相结合的方式划分网格，型钢与剪力连接件的网格划分如图6所示.

图6 各组成部件的网格划分Fig.6 Mesh division of various components

2.2 试件应力云图

模型计算完毕后对结果进行处理，得到组合梁的应力云图，从应力云图可以直观地观察到组合梁的应力传递情况.以试件L-5为例，提取得到的组合梁应力云图如图7所示.由图7可知，型钢中应力分布较大，混凝土板中应力分布较小.型钢中应力分布较大区域主要集中在跨中部分，应力向梁端逐渐递减，支座附近应力略有增加.型钢下翼缘应力比上翼缘大，混凝土板应力主要集中在跨中位置.

图7 组合梁的应力云图Fig.7 Stress nephogram of combination beam

图8 组合梁的荷载挠度曲线Fig.8 Load-deflection curves of combination beam

2.3.2 交接面滑移分析

图9 试件L-1滑移沿梁长的分布Fig.9 Distribution of slip along beam for specimen L-1

图10 试件L-2滑移沿梁长的分布Fig.10 Distribution of slip along beam for specimen L-2

图11 试件L-3滑移沿梁长的分布Fig.11 Distribution of slip along beam for specimen L-3

图12 荷载与梁端部滑移曲线Fig.12 Curves for load and slip at beam end

2.4.1 曲线分析

图13 荷载挠度曲线Fig.13 Load-deflection curves

2.4.2 滑移分布规律

从ABAQUS模拟结果中提取数据，得到荷载端部滑移曲线和滑移沿梁长的分布情况.交接面相对滑移沿梁长的分布如图14～16所示.荷载与端部滑移关系如图17所示.

图14 试件L-4滑移沿梁长的分布Fig.14 Distribution of slip along beam for specimen L-4

图15 试件L-5滑移沿梁长的分布Fig.15 Distribution of slip along beam for specimen L-5

图16 试件L-6滑移沿梁长的分布Fig.16 Distribution of slip along beam for specimen L-6

图17 组合梁的荷载与端部滑移曲线Fig.17 Curves for load and slip at beam end of composite beam

3 结 论

本文通过分析得出如下结论：

1) 随着再生混凝土强度等级的提高，组合梁的承载力提高，但承载力受影响程度随混凝土强度等级的提高而降低；交接面的滑移随混凝土强度等级的提高而降低，滑移受影响程度随混凝土强度的提高而减小.

2) 随着再生骨料取代率的增大，组合梁的极限荷载呈下降趋势，但下降幅度并不大.取代率在50%以下时，随着取代率的增加，组合梁交接面滑移量降低；取代率为70%时，滑移量出现回升.

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(责任编辑：钟 媛 英文审校：尹淑英)

Influence of replacement ratio and recycled concrete strength on bending capacity of combination beam

XU Wei,WANG Ji-zhong,CHANG Xiao-bo,BAI Yang

(School of Civil Engineering,Shenyang Jianzhu University,Shenyang 110168,China)

In order to study the effet of the replacement ratio of recycled aggregates and the strength of recycled concrete on the bending capacity of combination beam,the simulation study on the steel-recycled concrete bending capacity of combination beam was carried out with the finite element simulation software ABAQUS.The results show that with increasing the strength grade of recycled concrete,the bearing capacity of combination beam increases,and the interface slip reduces.With increasing the replacement ratio of recycled aggregates,the ultimate load of combination beam exhibits a downtrend.When the replacement ratio is below 50%,the interface slip decreases with increasing the replacement ratio.When the replacement ratio increases to 70%,the interface slip exhibits an upward trend.The steel-recycled concrete combination beam has good mechanical performance.

recycled concrete;combination beam;replacement ratio;interface slip;monotonic load;deflection;bending capacity;finite element simulation

2015-09-01.

住建部科学技术计划项目(2015-K2-021).

许 伟(1971-)，女，辽宁沈阳人，教授，博士，主要从事组合结构及工程管理等方面的研究.

22 17∶40在中国知网优先数字出版.

http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20161222.1740.038.html

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.02.15

TU 398

A

1000-1646(2017)02-0198-07