多點荷載作用下鋼筋混凝土梁受力特性及損傷演化規(guī)律研究

謝瑋玥

摘? 要：鋼筋混凝土結構因其具有較好受拉和抗壓性能，在各種建筑領域中被廣泛使用。鋼筋混凝土結構作為現(xiàn)代建筑工程中廣泛采用的一種關鍵結構形式，其在服役期間的損傷特性一直是工程領域關注的重點。該文利用ABAQUS有限元數(shù)值軟件，建立多點荷載作用下鋼筋混凝土梁的數(shù)值仿真計算模型，對鋼筋混凝土梁的多點荷載作用下受力特性及損傷演化規(guī)律開展研究。研究發(fā)現(xiàn)，鋼筋混凝土梁在豎向位移荷載作用過程中，拉應力集中于梁下部，壓應力區(qū)在梁上部；隨外部荷載持續(xù)作用，縱向受力鋼筋上形成的應力會傳遞至環(huán)向的箍筋上；鋼筋混凝土梁在純彎段受壓區(qū)處，混凝土的應變大于材料的最大壓縮應變，導致受壓區(qū)內(nèi)的混凝土出現(xiàn)損傷破壞；在鋼筋混凝土梁受力過程中，混凝土的強度等級和受拉鋼筋的強度等級對梁體的整體強度有決定性作用。

關鍵詞：鋼筋混凝土梁；多點加載；受力特性；損傷演化；數(shù)值仿真

中圖分類號：TU528.571? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）05-0077-04

Abstract： The reinforced concrete structure has a good tensile and compression performance， so it has been widely applied in all kinds of construction fields. As one of the most important structures in modern construction projects， the damage properties of RC structures have always been concerned about in engineering field. In this paper， a numerical simulation model of RC beam under multi-point load is developed using ABAQUS FEM software. The results show that in the course of vertical displacement， the tension stress is concentrated at the bottom of the beam， while the compressive stress is located at the top of the beam; with the continuous action of external load， the stress formed on the longitudinal steel bar will be transferred to the circumferential stirrups; in the compression zone of the pure bending section of the reinforced concrete beam， the strain of the concrete is greater than the maximum compressive strain of the material， which leads to the damage and failure of the concrete in the compression area. In the stress process of reinforced concrete beam， the strength grade of concrete and the strength grade of tensile steel bar play a decisive role in the overall strength of the beam.

Keywords： reinforced concrete beam; multi-point loading; stress characteristics; damage evolution; numerical simulation

目前，我國建筑行業(yè)正在朝著“節(jié)能減排、低碳環(huán)保”的方向發(fā)展，而隨著現(xiàn)代鋼筋混凝土建筑朝著大跨、超高層的方向發(fā)展，更多的項目對其材料的需求也隨之提高。在現(xiàn)代建設中，鋼筋混凝土結構作為一種重要的結構型式得到了廣泛應用[1-2]。鋼筋混凝土梁作為承載和傳遞荷載的關鍵構件，扮演著極其重要的角色。隨著建筑行業(yè)的發(fā)展和設計要求的提高，對于鋼筋混凝土梁的受力特性及其損傷演化規(guī)律的研究變得愈發(fā)迫切。正確認識鋼筋混凝土梁的力學性能是保證其安全可靠運行的關鍵。鋼筋混凝土梁的受力性能與其承載能力、變形性能、剛度等有關，與鋼筋混凝土梁的設計、施工、使用維護等密切相關。通過對普通荷載作用下梁體受力機理的深入研究，可為結構設計提供理論基礎與設計依據(jù)，從而保證梁體的安全性與可靠性，提升建筑的整體性能[3-5]。

鋼筋混凝土結構在服役時，將受到多種工作載荷及環(huán)境載荷的影響，從而引起結構的破壞與損傷。對其損傷演變過程的深入了解，有助于深入認識其在各種載荷下的變形與失效機制，為其進行安全評價與維護奠定理論基礎[6-7]。本文研究成果將有助于揭示梁的破壞機理，并為梁的性能修復、增強與加固等工程應用奠定理論基礎。

對鋼筋混凝土構件的力學性能和破壞機理進行了較為深入的研究。在此基礎上，結合實驗研究，揭示其力學機制及變形規(guī)律，建立能反映其破壞發(fā)展過程的數(shù)學模型。本文的研究將為鋼筋混凝土梁的設計、施工與養(yǎng)護等方面的工作奠定基礎，對保障鋼筋混凝土梁的安全與可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1? 模型建立

本文以ABAQUS軟件中內(nèi)置存在的C3D8R單元作為鋼筋的雙線性模型。采用C4D單元作為混凝土的三線性模型[8-10]。在C3D8R中，鋼筋之間的連接采用剛性連接。

在建立模型過程中，要注意以下幾點：①要確定鋼筋與混凝土之間的接觸面類型和接觸面上的接觸屬性。對于接觸屬性，可以使用2個或2個以上的接觸面來定義。②為了確定模型中的混凝土損傷狀態(tài)，要分別定義混凝土和鋼筋的損傷因子。③為使模型中的鋼筋和混凝土可以共同工作，需要對鋼筋進行強化。

1.1? 模型及材料參數(shù)

數(shù)值計算中，梁三維尺寸為長×寬×高=3 000 mm×200 mm×240 mm，在支撐和荷載作用下，以 TIE為基礎，通過TIE技術將墊片與梁相結合，墊片位于梁的兩側，厚10 cm，寬240 cm，對其向下增設10 cm的位移，使其向下移動。梁的內(nèi)部鋼筋布置形式為3層，上層受壓區(qū)2根鋼筋為Φ12 mm，中間和底部區(qū)域為受拉區(qū)，均設置3根鋼筋，鋼筋的型號分別為Φ16 mm。另外就是箍筋的間隔距離和防護層分別為100 cm和30 cm，如圖1—圖3所示。

鋼筋和混凝土是工程中最常用的材料，在 ABAQUS中，可以通過定義材料屬性來設置鋼筋和混凝土的相關屬性。對于鋼筋，可以根據(jù)使用規(guī)范確定鋼筋的屈服強度，并根據(jù)鋼筋的特性確定其本構關系，一般情況下采用線性本構關系。對于混凝土，一般采用線彈性模型，即在宏觀上只考慮彈性階段。ABAQUS中也有一些參數(shù)是可以調(diào)整的，可以根據(jù)需要進行修改。比如可以通過定義鋼筋和混凝土之間的接觸關系來調(diào)整相互作用，并設置相應的接觸屬性，定義材料屬性可以通過在單元上定義材料屬性來實現(xiàn)。通過定義材料屬性，可以實現(xiàn)不同材料之間的組合和替換。設置好之后可以進行驗證計算和后處理分析。本文中混凝土采用C30混凝土，鋼筋采用HRB600。數(shù)值建模的參數(shù)見表1。

1.2? 外荷載加載方式

與反復加載的懸臂結構形式相比，這類結構形式主要受到上部載荷作用，因此在施加載荷時將荷載的施加方向由上向下施加。為了方便計算，將荷載級別作為研究變量，加載級別劃分為3級，設置的初始加載位移量為5 mm。

2? 數(shù)值計算結果及分析

2.1? 鋼筋受力特征分析

鋼筋混凝土梁中鋼筋的數(shù)值仿真結果云圖如圖4所示。由于在鋼筋混凝土梁上施加的集中荷載是處于對稱狀態(tài)的，因此其應力分布基本呈現(xiàn)對稱狀態(tài)。在豎向位移荷載作用過程中，拉應力的分布基本上集中于下部區(qū)域，而上部區(qū)域的鋼筋基本上呈現(xiàn)受壓狀態(tài)。隨外部荷載向下的持續(xù)性作用，上部區(qū)域的鋼筋在受壓過程中將形成壓縮變形，而下部區(qū)域的鋼筋呈現(xiàn)出拉伸變形狀態(tài)，最終在鋼筋上形成的應力將進一步傳遞至環(huán)向的箍筋上。

由數(shù)值仿真結果可知，在對稱荷載的作用下使得鋼筋混凝土梁的中部區(qū)域?qū)⑿纬蓱袇^(qū)。因此，該應力集中受壓區(qū)混凝土的強度是梁穩(wěn)定性控制的關鍵，而應力集中受拉區(qū)鋼筋的抗拉強度是梁受拉破壞的關鍵控制點。因此，混凝土和鋼筋的強度是維系鋼筋混凝土梁安全性、耐久性的重要影響參數(shù)。在實際工程建設過程中，必須保證混凝土強度等級達到要求，同時應按照工程施工要求確保受拉一側鋼筋的保護層厚度和質(zhì)量達標。

2.2? 梁損傷特征分析

在鋼筋混凝土梁的局部部位，由于自身的物理力學性質(zhì)無法抵御外荷載所引起的變形，進而導致鋼筋混凝土梁的部分區(qū)域喪失了服役能力，進而導致其整體受力性能迅速降低。為了進一步研究鋼筋混凝土梁的損傷破壞情況，可以使用壓縮損傷、拉伸損傷對其整體損傷進行表征，如果表征因子的數(shù)值越大，表明鋼筋混凝土梁受到的損傷破壞越嚴重，就進一步反映出實際工程中更有可能出現(xiàn)損傷破壞裂紋。鋼筋混凝土梁的損傷計算云圖如圖5所示。

鋼筋混凝土梁發(fā)生損傷破壞前，各縱筋都已屈服，但在荷載作用下，梁受力后其撓度發(fā)生了明顯的變化。本文通過對鋼筋混凝土梁開展有限元數(shù)值模擬，對其總體損傷破壞形式進行了分析，發(fā)現(xiàn)在加載過程中，在純彎段的受壓區(qū)內(nèi)，混凝土在加載過程中已經(jīng)發(fā)生了破壞。在偏轉(zhuǎn)荷載下，試件產(chǎn)生了很大的彎曲變形。在純彎段受壓區(qū)處，混凝土的應變大于材料的最大壓縮應變，導致受壓區(qū)內(nèi)的混凝土出現(xiàn)了破碎現(xiàn)象。

2.3? 荷載-位移特征分析

本文采用有限元分析方法，分析了混凝土強度、拉筋強度、壓筋強度等因素對鋼筋混凝土梁受力特性的影響。鋼筋混凝土梁中混凝土、受拉鋼筋、受壓鋼筋隨位移加載后的強度變化如圖6所示。隨位移加載的逐漸增加，混凝土、受拉鋼筋、受壓鋼筋所受荷載均逐漸增大。由圖6可知，混凝土所承受的荷載最大，其次是受拉鋼筋，最小的是受壓鋼筋。在位移加載前期，荷載的變化速率較大，當位移加載到達一定閾值時，此時各部件所受荷載值基本不變，說明構建研究發(fā)生了屈服破壞，達到了各部件的峰值強度，鋼筋混凝土已經(jīng)步入到了塑性變形的極端，梁體的承載能力逐漸喪失。計算結果表明，在鋼筋混凝土梁受力過程中，混凝土的強度等級和受拉鋼筋的強度等級對梁體的整體強度有決定性作用。因此需對混凝土及鋼筋材料質(zhì)量和施工質(zhì)量進行嚴格把關。

同時，在實際工程應用中，通常很難獲得此類構件的受力變形特征，因此，與模型實驗相比，采用數(shù)字仿真技術對結構進行受力變形研究更為便捷、直觀。

3? 結論

1）鋼筋混凝土梁在豎向位移荷載作用過程中，拉應力集中于下部區(qū)域，上部區(qū)域的鋼筋呈現(xiàn)受壓狀態(tài)；隨外部荷載持續(xù)作用，最終在縱向受力鋼筋上形成的應力進一步傳遞至環(huán)向的箍筋上。

2）鋼筋混凝土梁在加載過程中，在偏轉(zhuǎn)荷載下，試件產(chǎn)生了很大的彎曲變形；在純彎段受壓區(qū)處，混凝土的應變大于材料的最大壓縮應變，導致受壓區(qū)內(nèi)的混凝土出現(xiàn)損傷破壞。

3）隨位移加載的逐漸增加，混凝土、受拉鋼筋、受壓鋼筋所受荷載均逐漸增大，混凝土所承受的荷載最大，其次是受拉鋼筋，最小的是受壓鋼筋。計算結果表明，在鋼筋混凝土梁受力過程中，混凝土的強度等級和受拉鋼筋的強度等級對梁體的整體強度有決定性作用。

4）數(shù)值仿真技術的出現(xiàn)可以快速、便捷地反映出鋼筋混凝土構件的受力特性，可輕松地獲得一些在實驗室中很難得到的參數(shù)，為鋼筋混凝土構件的設計、建造提供技術支持。

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