预应力混凝土箱梁受弯破坏试验研究与数值模拟

张 旺，张克波

(长沙理工大学 土木与建筑学院，长沙 410114)

预应力混凝土箱梁受弯破坏试验研究与数值模拟

张 旺，张克波

(长沙理工大学 土木与建筑学院，长沙 410114)

设计制作了1片大比例预应力混凝土箱梁模型，对其进行了单调荷载作用下的受弯破坏试验和基于ABAQUS有限元分析软件的受弯破坏全过程数值模拟．结合实测材料性能和现行规范给出的混凝土应力-应变关系，提出了一种混凝土损伤塑形模型(Concrete Damage Plastic)参数计算方法，该方法特别适用于仅测定了材料性能特征值(抗压强度、抗拉强度等)，而未测定应力-应变全曲线的情形．使用该方法得到的模拟结果与试验结果吻合较好，表明了该模拟方法的准确性和可行性．

预应力混凝土；ABQUS；数值模拟；有限单元法；损伤塑性模型

随着高强材料的发展和施工技术的进步，预应力混凝土结构已被广泛应用于房屋建筑、公路桥梁及地下结构等领域，其中预应力混凝土梁桥的发展最为迅速[1]．自1955年建成第一座预应力混凝土简支梁桥，经历了60余年的发展，预应力混凝土桥梁已成为中小跨径公路、铁路桥梁建设的首选桥型，现存预应力混凝土桥梁数量巨大[2]．

为了加深对预应力混凝土梁桥服役性能的认识，有必要对其力学性能进行深入研究．目前广泛采用的研究方法包括理论分析、试验研究和有限元分析[3]．因为混凝土材料性能的随机性和桥梁服役环境的复杂性，纯理论分析显然无法反映结构的真实性能，试验研究具有造价较高、灵活性较差等缺点，有限元分析具有成本较低、仿真效果较好等特点，已被广泛应用于桥梁的设计、施工和健康监测等环节[4]．本文以 1片大比例预应力混凝箱梁模型为对象，建立了一个实体模型，提出了一种混凝土损伤塑性模型计算方法．模拟值与实测值吻合良好，模拟效果良好、方法可行．

1 试验概况

1.1 截面尺寸

设计制作了1片大比例单箱单室预应力混凝土简支箱梁模型，长600 cm，高36 cm，顶板宽170 cm，底板宽100 cm，混凝土设计强度等级为C50，配置6根1 860钢绞线作为预应力筋，纵筋和箍筋均采用HRB335级非预应力钢筋，后张法施工，钢束布置和模型截面尺寸见图1．

图1 钢束布置及横截面尺寸(cm)

1.2 材料性能

按规范[5-7]规定的方法测试钢筋与混凝土的材料力学性能．混凝土试件制作时间、批次及养护条件均与试验梁相同，钢筋试件采用试验梁钢筋的留样制作．实测材料力学性能见表1-表2．

表1 混凝土力学性能

表2 钢筋力学性能

1.3 试验方案

采用两级分配梁对称4点集中力加载，荷载作用于梁计算跨径的三分点位置、由千斤顶施加，开裂前按10 kN一级施加荷载，开裂后按位移加载，试验测试系统见图2．

图2 受弯破坏试验测试系统

在加载点安装压力传感器，测试荷载大小；在梁跨中和支座位置安装位移计，测试各级荷载作用下的跨中挠度，每级持荷10 min后读数．

2 数值模拟

2.1 材料参数

2.1.1 混凝土

基于实测的混凝土材料性能(表1)，结合现行规范[8]建议的混凝土应力-应变全曲线，采用ABAQUS/CAE中的混凝土损伤塑性(Concrete Damage Plastic)模型[9]模拟混凝土的损伤行为．

混凝土单轴受压应力-应变全曲线按式(1)-式(5)计算[8]

式中：cs—压应力；ce—压应变；Ec—混凝土弹性模量；ca—混凝土单轴受压应力-应变曲线下降段参数值；fc,r—混凝土单轴抗压强度；ec,r—与单轴抗压强度fc,r相应的混凝土应变．dc—混凝土单轴受压损伤演化系数．

混凝土受拉应力-应变全曲线按式(6)-(9)计算

式中：ts—拉应力；te—拉应变；ta—混凝土单轴受拉应力-应变曲线下降段参数值；ft,r—混凝土单轴抗拉强度；et,r—与单轴抗拉强度ft,r对应混凝土应变；dt—混凝土单轴受拉损伤演化系数．

C50混凝土应力-应变关系曲线如图3、4示，其中A、B、C分别对应出现塑性变形时刻、应力最大时刻和应变最大时刻．此处计算的应力、应变均为名义值，在输入到 ABAQUS时应转换为真实值，名义值与真实值的转换见式(10)-式(11)，基于本文材料性能的混凝土损伤塑性模型(Concrete Damage Plastic)参数计算结果见表3和表4．

式中：sture—真实应力；eture—真实应变；snom—名义应力；enom—名义应变．

图3 C50混凝土单轴受压应力-应变关系曲线

图4 C50混凝土单轴受拉应力-应变关系曲线

表3 混凝土损伤塑性模型计算参数

*注：f2/fc,r—双轴抗压极限强度/单轴受压极限强度；Kc—拉伸子午面上与压缩子午面上的第二应力不变量之比．

表4 混凝土材料计算参数

2.1.2 钢筋

HRB335钢筋应力-应变关系采用三折线模型；1860钢绞线应力-应变关系采用二折线模型，取残余应变为 0.2 %时的应力作为名义屈服强度，本文取0.85倍极限应力为名义屈服强度．

2.2 问题分析

用ABAQUS/CAE对预应力混凝土箱梁进行有限元分析，有限元模型如图5示，混凝土采用C3D20R单元模拟，普通钢筋和预应力钢筋采用T3D3单元模拟，钢筋与混凝土之间的粘结采用Embedded region接触模拟，预应力采用降温法模拟．为避免集中荷载导致加载点、预应力筋锚固位置和支座位置的应力集中，在这些位置设置了垫块．考虑到计算的速度和收敛性问题，根据截面等效原则对箍筋进行了简化．针对极限承载力试验的有限元模型分析分为自重荷载、预应力荷载、试验荷载三个分析步进行．

图5 有限元分析模型

3 试验值与模拟值的对比

受弯破坏试验和有限元模拟结果汇总于表 5中．试验结束状态下试验模型跨中挠度分别达计算跨径的1/49，裂缝宽度为5.44 mm，达到破坏承载力标志之一1.5 mm的限值，认为试验梁破坏．

表5 极限承载力试验结果

图6为试验模型的荷载-跨中挠度曲线，图7为受弯破坏试验结束时试验模型的实际破坏性态．由图可知：加载初期，试验梁处于弹性工作阶段，荷载-挠度曲线接近直线；试验梁开裂时，荷载-挠度曲线斜率出现突变，梁体刚度减小；此后，随着荷载的增大，试验模型的挠度增长越来越快，混凝土压碎．有限元模拟数据与实测数据吻合效果良好，表明本文提出的损伤因子计算方法可行，通过 ABAQUS建模的方法可准确预测结构在荷载作用下的变形．

图6 荷载-跨中挠度试验结果与有限元模拟结果对比

图7 试验模型实际破坏形态

4 结论

通过对预应力混凝土箱梁模型的受弯破坏试验研究和有限元模拟，可得如下结论：

(1)单调荷载作用下，预应力混凝土箱梁变形在开裂前呈线性增长，开裂后变形发展迅速，具体破坏形式与材料性能有关．

(2)基于材料性能特征值(抗压强度、抗拉强度等)，结合现行规范建议的混凝土受拉、受压本构关系，提出了一种混凝土损伤塑性模型参数计算方法，根据该方法建立的 ABAQUS有限元模型仿真效果良好，可为实际工程应用提供参考．

[1]刘金福. 服役20年预应力混凝土连续梁桥静载试验研究[J].桥梁建设, 2013, 43(5): 75-80.

[2]高向玲, 张业树, 李杰. 基于ABAQUS梁单元的钢筋混凝土框架结构数值模拟[J]. 结构工程师, 2013, 29(6): 19-26.

[3]刘椿, 朱尔玉, 朱晓伟. 预应力混凝土桥梁的发展状况及其耐久性研究进展[J]. 铁道建筑, 2005, (11): 3-4.

[4]吴延平. 国内预应力混凝土桥梁的发展状况[J]. 桥梁建设,1997, (4): 33-34.

[5]GB/T 50081-2002, 普通混凝土力学性能试验方法标准[S].

[6]GB/T 228-2002, 金属材料 室温拉伸试验方法[S].

[7]GB/T 5224-2003, 预应力混凝土用钢绞线[S].

[8]GB 50010-2010, 混凝土结构设计规范[S].

[9]方秦, 还毅, 张亚栋, 等. ABAQUS混凝土损伤塑性模型的静力性能分析[J]. 解放军理工大学学报, 2007, 8(3): 254-260.

(责任编校：徐赞)

Flexible Failure Experimental Study and Numerical Simulation on The Prestressed Concrete Box-girder

ZHANG Wang，ZHANG Ke-bo
(Changsha University of Science amp; Technology School of Civil Engineering and Architecture, Changsha, Hunan 410114, China)

A large-scale prestressed concrete box-girder model was designed and manufactured, flexible failure test under monotonic loading and corresponding numerical simulation based on finite element analysis software of ABAQUS was carried out. Combined the measured material performance and the stress-strain relationship proposed in current codes, a calculation method for the parameter of Concrete Damage Plastic model was presented. The method is especially suitable to the situation that only tests the characteristic value of material performance (compression strength, tensile strength et al.), but do not test the total stress-strain curve of material. The results obtained by the finite element analysis based on this method are in well agreement with the measured result, which indicates the accuracy and feasibility of the method.

prestressed concrete; ABQUS; numerical simulation; finite element method; damage plastic model

U442

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2017.02.0002

1672–7304(2017)02–0006–04

2017-03-06

湖南省教育厅科研项目(12A027)

张旺(1991-)，男，湖南益阳人，硕士研究生，主要从事服役桥梁耐久性研究，E-mail: greenstyle@qq.com；张克波(1961-)，男，湖南益阳人，教授，博士，主要从事服役桥梁耐久性研究.