HRB 600 级钢筋高强混凝土梁受弯性能数值模拟分析

姜立伟，李成飞，段亚茹，陈 康

（北京中建建筑科学研究院有限公司，北京 100076）

当今时代，建筑结构飞速发展，结构大型化趋势明显，国际上均开始采用焊接性能更好且强度更高的高强钢筋[1]。高强钢筋不但可以减少钢筋的使用量，还可以节省施工成本，同时对于环境保护也提供助力。我国在《混凝土结构设计规范》GB 50010—2010 中也倡导使用高强高性能的钢筋，并在《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》最新修订稿中增加了HRB600 级钢筋。但由于缺乏相应的基础性试验研究，直接影响了HRB600 级钢筋在工程中的应用。目前我国对于高强钢筋的研究主要集中在HRB500 级，而混凝土等级则普遍集中在C70 以下，两者强度相较于发达国家而言，均明显偏低。国内对于高强钢筋混凝土梁的研究大部分采用的都是普通级别的混凝土，如赵进阶等研究500 MPa 细晶粒钢筋混凝土梁的受弯性能试验中[2]，混凝土采用C50 级别。葛文杰等进行400 MPa 与500 MPa 细晶粒高强钢筋配置的高强混凝土梁在抗弯性能试验中混凝土等级采用C30[3]。戎贤教授等对配置600 MPa 级钢筋的C50～C60 混凝土梁和部分预应力混凝土梁的受弯性能进行了研究[4-5]。湖南大学[6]、郑州大学[7]与安徽工业大学[8]等进行的高强钢筋混凝土梁受弯试验中，混凝土等级同样偏低。可以看出对于同时采用高强混凝土的梁研究还是非常少的，如果同时采用高强混凝土，混凝土与钢筋的高强是否可以充分发挥，还需要以后的研究结果来说明。尤其是对HRB600 级钢筋混凝土构件的研究资料十分稀少，计划对HRB600 级钢筋高强混凝土受弯构件的性能进行研究，揭示其破坏机理与受弯性能特点，为以后的研究与工程应用提供参考。

为了优化设计参数对试验的影响，笔者利用ABAQUS 有限元软件建模，与试验结果进行对比，并分析了混凝土强度、纵筋强度、纵筋配筋率对HRB600 级钢筋高强混凝土梁受弯性能的影响。

1 试验概况

1.1 试件设计

HRB600 级钢筋高强混凝土梁受弯试验选自北京工业大学张建伟教授已完成的试验[9]，试验以混凝土强度等级、钢筋强度等级、配筋率、保护层厚度、纵筋直径为主要变化参数，共设计10 根混凝土梁，具体参数见表1。试件的配筋情况如图1 所示，箍筋为HPB300 级钢筋，架立筋为HRB600 级钢筋。材料力学性能、加载方式及测点布置参照文献[9]。

表1 试件设计参数

2 有限元模型

2.1 材料本构关系

本模拟试验混凝土本构关系采用Hongnestad的数学模型，该模型的上升段为二次抛物线，而下降段为斜直线，直到受压的极限应变。

数学表达式为：

为了方便模型的建立，钢筋采用等向弹塑性模型，应力-应变关系采用“双直线”的完全弹塑性模型，泊松比取0.3。

为了能更加准确的模拟整个试件的加载过程，模拟时材料的强度均采用实测强度。

2.2 模型建立

网格划分时混凝土采用8 节点三维积分实体单元C3D8R，钢筋采用三维桁架单元T3D2，通过切割构件模型，采用结构化网格技术划分网格。

为了保证计算的精确性和模拟计算可以收敛，将网格划分成50 mm×50 mm，网格划分见图2。

与文献[9]中试验相同，模拟中也采用三分点的单调加载方式，通过向三分点处的参考点施加竖向位移进行加载。模型底部的参考点约束为一端铰接，一端刚接，并设置加载铰。钢筋混凝土之间采用Embed 约束，参考点与加载铰表面采用Coupling 约束，加载垫板与混凝土试件间采用Tie 约束。

3 设计参数影响分析

为了对HRB600 级高强混凝土梁的受弯性能进行深入研究，对影响其性能的主要参数进行了分析，本文对文献[9]中的混凝土强度、纵筋配筋率、纵筋强度等参数进行了深入模拟分析。

3.1 混凝土强度

文献 [9]中关于混凝土强度等级设计了C40，C60，C80，C100 四个等级，参数变化能够较系统地分析混凝土强度对HRB600 级钢筋高强混凝土梁受弯性能的影响，不再多添加新的参数模型，以试验为基础，对 B1，B2，B3，B4 四个模型进行有限元分析，荷载-位移曲线对比如图3 所示。

由图3 可以发现，弹性阶段内，相同荷载作用下，4 个模型的位移相近；随着混凝土强度的增大，模型的极限承载力略有提高，但不明显。

3.2 纵筋配筋率影响

为了进一步研究不同纵筋配筋率对HRB600级钢筋高强混凝土梁的受弯性能影响，在文献[9]试验的基础上，增加了1 个模型B11，模型参数见表2，B11 模型除了配筋率与B3 模型不同外，其他参数均相同。

表2 模型设计参数

配筋率分别为1.06%，1.69%，2.17%，2.53%的4个模型 B3，B6，B11，B7 的荷载-位移曲线如图 4 所示。

配置不同纵筋配筋率的4 个模型，在弹性段内，随着配筋率的增高，模型的刚度越大，相同荷载下，位移越小；随着纵筋配筋率的增大，模型的极限承载力提高十分明显，当配筋率达到2.53%时，模型呈现出超筋梁的破坏形态，与试验结果一致。综上可知，纵筋配筋率对HRB600 级钢筋高强混凝土梁的刚度及承载力有很大影响。

3.3 纵筋强度影响

为了进一步研究不同纵筋强度对HRB600 级钢筋高强混凝土梁的受弯性能影响，在试验文献[9]的基础上，增加了1 个模型B12，模型参数见表3。B12 除了纵筋强度为HRB500 级外，其他参数与B3，B9 模型均相同。

纵筋强度等级分别为 HRB400，HRB500，HRB600 的 3 个模型 B9，B12，B3 的荷载-位移曲线对比如图5 所示。

配置不同纵筋强度的3 个模型，在弹性段内，荷载-位移曲线几乎重合，相同荷载下，各模型的位移十分接近；随着纵筋等级的增大，模型的极限承载力提高十分明显，说明纵筋强度等级对HRB600级钢筋高强混凝土梁的承载力影响很大。

表3 模型设计参数

4 结论

通过使用ABAQUS 软件建立了10 根HRB600级钢筋高强混凝土梁有限元分析模型，在试验数据的基础上进行数值模拟分析，并与试验结果比较主要结论如下。

通过增加设计参数进行优化模拟分析，可以发现随着混凝土强度的增大，HRB600 级钢筋高强混凝土梁的极限承载力略有提高；纵筋配筋率及强度对模型的极限承载力有较大影响，极限承载力会随着两者的增大显著提高。