再生混凝土叠合梁板受弯性能数值分析.pdf

第 4 0卷第 1 期 2 0 1 4年 2月 四川建筑科学研究 S i e h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 再生混凝土叠合梁板受弯性能数值分析 高 歌， 肖建庄 ( 同济大学建筑工程系， 上海2 0 0 0 9 2 ) 摘要： 在已完成的再生混凝土叠合梁板受弯性能试验的基础上， 运用 A b a q u s 软件对叠合梁板进行了非线性有限 元分析。验证了有限元模型的正确性之后 ， 引进一种新的叠合型式， 预制部分采用再生混凝土而现浇部分采用普 通混凝土， 然后用 A b a q u s 对新叠合梁板进行分析。分析结果表明， 新叠合型式更合理地利用了混凝土材料， 进一 步提高了结构的受力性能。 关键词： 再生混凝土； 叠合梁板； 受弯性能； A b a q u s ； 非线性分析 中图分类号 ： T U 3 7 5 文献标 志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 4 ) 0 1 0 0 1 0 4 Nu m e r i c a l s t u d y o n be n d p e r f o r m a n c e o f r e c y c l e d c o n c r e t e c o mpo s i t e b e a m s a n d s l a b s GA0 Ge XI A0 J i a n z h u a n g ( D e p a r t me n t o f B u i l d i n g E n g i n e e ri n g ， T o n i U n i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： On t h e b a s e o f t h e t e s t o n t h e b e n d i n g p e rfo r ma n c e o f r e c y c l e d c o n c r e t e c o mp o s i t e b e a ms a n d s l a b s ， t h e n o n l i n e a r fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s i s c a r r i e d o u t b y t h e s o f t wa r e Ab a q u s Af t e r t h e fi n i t e e l e me n t mo d e l i s v e ri fie d， a n e w t y p e o f c o mp o s i t e e l e me n t i s i n t r o d u c e d T h e p r e f a b ri c a t e d p a r t u s e s r e c y c l e d c o n c r e t e wh i l e t h e c a s t i n p l a c e p a r t u s e s c o n v e n t i o n a l c o n c r e t e Th e n Ab a q u s i s a p p l i e d t o a n a l y z e t h e p e r f o rm a n c e o f t h e n e w c o mp o s i t e b e a ms a n d s l a b s Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e n e w s t r u c t u r e c a n ma k e u s e o f t h e ma t e r i als mo r e r e a s o n ab l e， a n d c a n e n h a n c e t h e p e r f o rm a n c e o f t h e s t r u c t u r e f u r t h e r Ke y wo r d s： r e c y c l e d c o n c r e t e ； c o mp o s i t e b e a m a n d s l a b； b e n d p e rfo rm an c e； Ab a q u s ； n o n l i n e a r a n a l y s i s 0 引 言 再生混凝土技术被认为是解决 日益增多的建筑 废弃物问题的最有效的途径 J 。混凝土叠合结构 是在混凝土预制构件上加浇一层现浇混凝土而形成 的一种装配式整体式结构 ， 它克服 了整浇式混凝土 结构和装配式结构各 自的缺点 ， 而兼有二者的优点 ， 因而在工程上获得广泛应用。混凝土叠合结构可分 为“ 一次受力叠合结构” 和“ 二次受力叠合结构” 两 类 ： 在施工期间预制构件下设有可靠的支撑 ， 施工阶 段所产生 的各项荷载主要 由支撑来承担的为 “ 一次 受力叠合结构” ； 在施 工期 间预制构件下不加支撑 ， 施工阶段 的荷载 由预制构件承担 的为“ 二次受力叠 合结构” _ 2 J 。本文仅研究“ 一次受力叠合结构” 。如 果能将再生混凝土应用于叠合结 构 ， 必将大大拓宽 收稿 日期 ： 2 0 1 3 - 0 1 - 3 1 作者 简介 ： 高歌 ( 1 9 7 4一) ， 男 ， 湖南 宁 乡人 ， 硕 士 ， 工 程师 ， 研 究方 向为再生混凝土叠合结构 。 通讯作者 ： 肖建庄 ( 1 9 6 8一) ， 男 ， 山东 沂南人 ， 教授 。 Ema i l ： j z x t o n g j i e d u c n 再生混凝土 的应用 范围。A b a q u s 是被 市场认 可 的 通用有限元分析软件 ， 以其强大的非线性计算功能 而著称 。本文在 已经完成 的再生混凝土叠合梁板抗 弯性能试验 的基础 上 ， 介绍一种新 的叠合形 式 ， 运用 A b a q u s 对再生混凝土叠合梁板进行非线性数 值分析。分析结果对进一步合理利用材料、 改善结 构性能具有一定意义 。 1 A b a q u s 数值分析及 其与试验结果 的对 比 1 1 再生混凝土叠合梁板抗弯试验试件情况 先期完成的再生混凝土叠合梁板抗弯试验共完 成 了 8 个试件的抗弯性能试验 ， 其 中包括 3根叠合 梁和 1根整浇梁 、 3块叠合板和 1块整浇板 。梁长 4 1 0 0 mm， 有效长度 3 9 0 0 m m； 梁高 4 0 0 m m， 宽 2 0 0 m m 。梁叠合部分高 1 6 0 m m； 预制部分采用u型梁， U型梁 高 2 4 0 m m， 底板 厚 6 0 mm， 腹板宽 5 0 m m。 板长 2 6 8 0 m m， 有效长度 2 4 8 0 m m； 板宽 1 0 0 0 m m， 高 1 6 0 mm， 其中预制部分高 7 5 1T i m， 叠合部分高 8 5 m m 。试件具体信息见表 1 ， 配筋如图 1 2 所示。 2 四川建筑科学研究 第 4 o卷 表 1 试件一览 Ta b l e 1 S p e c i m e n s l i s t 预制部分混凝土叠合部分混凝土 钢筋 编导再生粗骨 实测抗 再生粗骨 实测抗 强度 等级 实测屈 ” 料取代率 压强度 料取代率 压强度 及配筋率 服强度 MP a MP a MP a UF 1 UF_ 2 UF_ 3 RF 1 S F l S F - 2 S F - 3 RS F 1 0 4 8 2 O 5 2 9 0 4 7 0 1 0 0 4 5 9 0 4 7 2 0 5 0 9 0 4 5 5 1 o 0 4 2 9 1 0 0 4 0 1 1 o o 3 9 1 1 0 o 3 8 2 l 0 0 4 5 9 l o o 3 7 8 l o o 3 8 2 l o 0 3 9 1 l o o 4 2 9 HRB 3 3 5、 0 5 4 3 8 0 HRB 3 3 5、 1 0 3 3 5 0 HRB 3 3 5、 1 5 4 3 8 5 HRB 3 3 5、 1 0 3 3 5 0 HRB 3 3 5、 0 5 1 3 5 5 HRB 3 3 5、 1 0 1 3 5 5 HRB 3 3 5、 1 5 2 3 8 0 HRB 3 3 5、 1 O 1 3 5 5 1 1 现浇梁 一 4 8 ： 8 15 ( 1 l 预制梁 2 生 l 6 U F 。 1 1 现浇梁 一 4 8 j I ： 8 150 I _ _ J 、 J 3 1 8 U 。 。 25 3 2 2 U 图 1 梁断面 F i g 1 Cr o s s - s e c t i o n v i e w o f b e a m s - - 1 B l 0 0 l n 6 l 2 S F 1 1 2 1 2 S F 2 RS F 1 1 0 1 6 S F 3 图 2 板 平面 Fi g 2 P l a n e v i e w o f s l a b s 1 2 A b a q u s 数值分析 采用 C 3 D 8 R单元模拟混凝土 ， 其为 8节点六面 体实体单元 5 ， 采用减 缩积分方法 ， 具有沙漏 控制 和避免剪切闭锁功能 ； 采用 T 3 D 2单元模拟钢筋 ， 其为三维 2节点桁架单元。采用在混凝土中植入钢 筋的办法建立钢筋和混凝土之间的连接 。 钢筋本构采用理想弹塑性模型 ， 混凝土和再生 混凝土本构均采用塑性损伤模型。根据 G B 5 0 0 1 0 - 2 0 1 0 ( 混凝土结构设计规范 ， 混凝土单轴受拉的 应力应变曲线按下列公式确定 ： o r= ( 1一d ) E s ( 1 ) r 1一P 1 20 2 x 1 d t l 一 _ 1 ( 2 ) =e e ( 3 ) 式中O 混凝土单轴受拉应力应变曲线下降段 的参数值 ； 混凝土单轴抗拉强度代表值 ； 与 相应的混凝土峰值拉应变； d 混凝土单轴受拉损伤演化参数 。 以上各值均根据 G B 5 0 0 1 0 -2 0 1 0 ( 混凝 土结 构 设计规范 相关规定取值或计算。 混凝土单轴受压的应力应变曲线按下列公式确 出 7 疋 ： = ( 1一d ) E 。 ( 4 ) f 1一 1 d ：J 一 + X n ( 5 ) l 1 一 1 O l ( 一1 ) + P = E ( 6) = E 。 ， ( E 一 ) ( 7 ) =e e ( 8 ) 式中O t 混凝土单轴受压应力应变曲线下降段 的参数值 ； 混凝土单轴抗压强度代表值； S c ,r 与 相应的混凝土峰值压应变； d 混凝土单轴受压损伤演化参数。 以上各值均根据 G B 5 0 0 1 0 -2 0 1 0 混凝 土结构 设计规范 相关规定取值或计算。 再生混凝土弹性模量采用试验实测值 2 9 1 3 1 0 MP a ， 抗拉强 度取值为 1 9 3 MP a 1 。混凝 土弹 性模量和抗拉强度根据规范并参考试验实测资料取 值。混凝土的其他材料参数取值见表 2 _ 8 J 。 表 2混凝 土材 料参数 Ta bl e 2 M at e r i a l pa r ame t er of c o nc r e t e ! ： ： ： ! ： 注 ： 为膨胀角 ； s为流动势偏 移值 ； 嘶 为双轴 等压极 限抗压 强度 与 单轴极限抗压强度 比； k 为拉伸 子午 线和压缩 子 午线上 的第 二 应力不变量之 比； 表示 粘性系数 ， 代表粘 塑性 系统随 时问 的松 弛 A b a q u s 计算 的 U F 一 2 、 S F 一 2试件 和试验 实测荷 载位移曲线对比如图 3所示。 童 柩 柱 0 2 0 4 0 60 8 O 1 00 跨 中挠度 mm f a 1 U F 一 2 0 2 0 40 6 0 8 O l 0 0 跨 中挠 度 mm ( b )S F 一 2 图 3 数值分析 与实测 结果对 比 F i g 3 Co mp a r i s o n o f n u me r i c a l a n a l y s i s a n d e xpe r i me nt a l r e s ul t s 高 歌， 等： 再生混凝土叠合梁板受弯性能数值分析 3 A b a q u s 计算的各试件极 限弯矩 、 屈服点挠度和 试验实测值对 比见表 3 。 表 3 各试件极限弯矩和屈服点挠度 T a b l e 3 T h e u l ti m a t e b e n d i n g mo m e n t a n d d e fl e c ti o n o f s p e c i m e n s 由图 3和表 3可知 ， A b a q u s 计算结果精确度较 高 ， 而且非线性计算能力较强 ， 能计算 出荷载位移曲 线 的水平段甚至下降段 ， 是理想 的钢筋混凝土结构 的分析软件。 2 新叠合结构及其数值分析 2 1 新叠合型式的引入 传统的叠合结构 ， 预制部分混凝土 的强度等级 一 般高于现浇部分。这样做的好处是预制构件在运 输 、 吊装等过程中有更好的性能 ， 用于二次受力结构 时， 也能更好地承受第一次受力时的荷载。然而钢 筋混凝土结构一般都是带裂缝工作的， 允许下部受 拉 区混凝土开裂 ， 结构 中发挥作用 的混凝 土主要是 位于结构上部的受压部分。因此， 本文按照传统方 法 ， 将再生混凝土置 于现浇部分而普通混凝土置于 预制部分多少有点不合理， 特别是对于一次受力的 叠合结构 。为了更合理地利用材料性 能， 本文设计 一 种新型式的叠合梁板 ， 其截面和配筋与试验试件 一 样 ， 但预制部分采用再生混凝土而叠合部分采用 普通混凝土 。参照原试件编号 ， 相应新叠合梁板编 号为 B U F 一 1 、 B U F - 2 、 B U F 一 3和 B S F 一 1 、 B S F - 2 、 B S F 3 。 用试验结果验证了 A b a q u s 分析模型的正确性之后 ， 运用 A b a q u s 对新叠合梁板进行非线性数值分析， 以 了解其和原叠合结构性能的异 同。 2 2 新叠合结构数值分析 A b a q u s 分析 的新叠合梁板试 件和原试件荷 载 位移 曲线对 比如图 4所示。 銎F-1 40 图4 新、 旧试件荷载位移曲线对比 Fi g 4 Co mp a r i s o n o f n e w a n d o l d s p e c i m e n s A b a q u s 计算的各试件开裂荷载、 极限弯矩、 屈 服点挠度对 比见表 4 。 表 4各试件开裂荷载 、 极 限弯矩和屈服点挠度 Ta b l e 4 Th e c r a c k i n g l o a d， u l ti m a t e b e n d i n g mo m e n t a n d d e fl ec ti o n o f s p e c i m e n s 曼 ： 里 ： 三 兰 里 三 ： 呈 ! 兰 ! ： 里 ! ： 呈 ! ：兰 开裂弯矩 肘 ( k N m) 2 3 2 6 2 3 0 4 2 8 0 3 2 7 6 3 2 9 4 5 2 8 4 9 1 5 3 4 1 5 1 2 1 6 8 9 1 6 8 3 极限弯矩 极 ( k N m ) 6 2 4 0 6 3 5 5 9 8 1 2 1 0 0 4 0 1 5 2 1 9 1 5 3 6 1 3 4 0 9 3 3 7 7 6 1 0 1 6 O 6 4 屈服点挠度 曰 m m 1 1 7 5 1 1 9 4 1 2 8 3 1 2 8 9 1 8 7 9 1 8 3 O 1 2 5 7 1 2 1 0 1 4 1 7 l 2 9 5 S F- 3 1 8 2 5 9 2 5 6 1 7 21 BS F - 3 1 8 3 6 9 2 4 2 l 5 9 9 由图 4和表 4可知 ， 新叠合梁板和原结构受力 性能较为接近， 但新结构荷载位移 曲线均位于原结 构上方 ， 即相同荷载下新结构位移小于原结构 ， 具有 更大的刚度 ， 其 中 B S F - 2 、 B S F 3 、 B U F 一 3表现最为明 显 ， 说 明随着配筋率的增大 ， 新叠合 型式的优势将更 加凸现。新结构开裂荷 载略有 下降， 但 和原结构非 常接近， 这是因为尽管预制部分采用再生混凝土后 ， 其抗拉强度下降更易开裂， 但叠合部分采用普通混 凝土， 其弹性模量提高， 结构刚度提高导致变形变小 了。新结构在受压 区采用强度更 高的普通混凝土 ， 极限弯矩和原结构相 比总体而言略有提高 ， 但差别 不大， 这是因为在适筋梁的范围内， 受弯梁板的极限 弯矩主要取决于钢筋的强度和面积 ， 而和混凝土强 度关系不大。 2 3 新叠合结构其他特征分析 本文采用的叠合型式， 叠合结构上部受压区采 用普通混凝土， 将再生混凝土置于结构下部允许开 裂的受拉 区， 从而避免 了再生混凝土带来的不利影 响。数值分析结果表明， 新叠合结构短期力学性能 有改善。长期性能 因受压 区采用普通现浇混凝土 ， 4 四川建筑科学研究 第4 O卷 也将变得和普通混凝 土结构非常接近 ， 但还需要进 一 步试验验证 。 本试验再 生混凝 土实 测 弹性模 量 为 2 9 1 3 1 0 MP a ， 这对再生 混凝土 而言是一个相 当高的值 。 已有试验结果表明， 再生粗骨料取代率为 1 0 0 时， 再生混凝土弹性模量可比普通混凝土下降4 5 。 过低 的弹性模量显然对结构是不利的 ， 而再生混凝 土抗拉强度和普通混凝土相 比略低但差别不大H J ， 因此 ， 本文采用的叠合型式对低 弹性模量 的再生混 凝土而言 ， 将更适宜。 大部分的叠合结构， 尤其是叠合梁， 预制部分高 度高于叠合部分， 预制部分体积大于叠合部分， 而再 生粗骨料 比普通骨料价格低廉。因此 ， 预制部分采 用再生混凝土不仅可 以更有利 于环保 ， 还可 以降低 工程造价。 叠合结构的预制部分在工厂制作， 采用程序化、 规模化的施工方法 ， 有更好 的施工条件和管理控制 措施 ， 质量更有保障。再生混凝土为新兴技术 ， 目前 积累的经验远不如普通混凝 土， 普通混凝土无论现 浇还是预制均已有非 常成熟 的施工技术 。因此 ， 预 制部分采用再生混凝土而现浇部分用普通混凝土 ， 从施工工艺角度来说 ， 也更符合再生混凝 土叠合结 构的受力特点 ， 更易保证其质量。 3 结 论 本文引入一种新 的叠合型式 ， 通过 A b a q u s 数值 分析 ， 可得 出以下主要结论 ： 1 ) A b a q u s 具有非线性计算功能 ， 即使对于混凝 土这样典型的非线性材料 ， 钢筋屈服结构形成塑性 铰后 ， 其计算仍有 良好 的收敛性 ， 能计算出荷载位移 曲线的水平段和下降段， 而且其分析结果精度较高， 是较为理想的混凝土结构有限元分析软件； 2 ) 叠合结构预制部分采用再生混凝土而现浇 部分采用普通混凝土 ， 这种新叠合 型式更合理地利 用了材料 ， 随着配筋率 的提高 ， 进一步改善结构受力 性能 ； 新叠合型式还具有降低工程造价 ， 更合理地利 用 已有的混凝土施工工艺等特点 ， 是一种值得推广 的叠合结构 。 参 考 文 献 ： 1 肖建庄 再生混凝土 M 北京 ： 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 0 8 2 周旺华 现代混凝 土叠合结 构 M 北 京 ： 中国建筑 工业 出版 社 ， 1 9 9 8 3 肖建庄， 高歌， 徐亚玲， 等 再生混凝土叠合梁受弯力学性能 试验研究 J 结构工 程师 ， 2 0 1 2 ， 2 8 ( 2 ) ： 1 2 2 1 2 6 4 朱永明， 高歌， 肖建庄 再生混凝土叠合板受弯力学性能试 验 J 混凝 土与水泥制 品， 2 0 1 2 ( 6 ) 5 P r a t h a p G T h e P o o r B e n d i n g R e p o n s e o f t h e F o u r No d e P l a n e S t r e s s Q u a d r i l a t e r a l s J I n t e r n a t i o n a l J o u rna l f o r N u m e fi e M Me t h - o d s i n En g i n e e r i n g， 1 9 8 5， 21 ： 8 2 5 8 3 5 6 B e l y t s e h k o T W ， L i u K， K e n n e d y J M H o u r g l a s s C o n t r o l i n L i n e a r a n d N o n l i n e a r P rob l e ms J C o m p u t e r Me t h ods i n A p p l i e d Me c h a n i c s a n d En g i n e e rin g， 1 9 8 4， 4 3： 2 5 1 - 2 7 6 7 G B 5 0 0 1 0 -2 0 1 0混凝 土结构设计规 范 s 8 劳红峰 配 5 0 0 MP a钢筋后 张有粘结 预应力 混凝 土梁非 线性 有 限元分析 D 上海 ： 同济大学 ， 2 0 1 2