基于ABAQUS的再生混凝土梁受弯性能分析

刘 阳，胡 郢

(1.武昌工学院城市建设学院，武汉 430065；2.武汉理工大学道路桥梁与结构工程湖北省重点实验室，武汉 430070)

建筑工业垃圾的处理方法一般为填埋和堆放，对我国环保事业带来了巨大影响。将处理后的混凝土骨料与适当比例的新骨料混合后，制作再生混凝土，能较好的解决建筑废弃垃圾的影响，同时能减少大量新生能源浪费[1-3]。但对再生混凝土骨料进行置换过程中，置换比例的选择一直是阻碍其发展的重要因素。如何在保证足够强度的前提下，选择合理的置换率一直是科研及工程技术人员研究的重点[4,5]。

再生混凝土梁是实际工程中使用较多的结构构件，对不同置换率梁的受力性能，通过试验已经做了一定的分析，但试验存在影响因素较多，且置换材料离散性较大等不足，且在时间和造价上都有一定的缺陷，获得一般性结论的困难较大。现利用部分已有试验数据，利用通用有限元软件ABAQUS建立了不同取代率的再生混凝土梁和钢筋混凝土梁的有限元模型，对比分析其不同的受弯性能，研究不同置换率对梁受弯性能的影响，供工程及科研人员参考。

1 有限元模型的建立

选取骨料置换率分别为0、30%和75%的3根再生混凝土梁。混凝土强度为C35，构造钢筋选择HPB300，直径为6 mm，受拉钢筋选择HRB400，直径D=18 mm。梁尺寸为2 000 mm×200 mm×120 mm，混凝土保护层厚度取20 mm。假设混凝土塑性损伤模型由拉伸或压缩引起，钢筋混凝土的钢筋是单轴应力。钢筋及混凝土的强度及弹性模量，参考《混凝土结构设计规范》选取，泊松比v=0.2。

1) 单元类型的选择

(1)再生混凝土单元及垫块：再生混凝土采用C3D8R单元，其具有计算精度较高，受其他条件影响较小的特点。为防止承载点中出现应力集中现象，在加载处设置垫块，也采用C3D8R单元。

(2)钢筋单元：该次有限元分析中纵筋、箍筋等全部采用适用于模拟刚性和刚性远高于整个结构的T3D2单元，共三个自由度。

2) 模型的建立和加载 模型的几何参数详见表1。

表1 简支梁的几何参数

按照先混凝土单元、然后钢筋骨架单元，最后格栅的划分的顺序建立有限元模型，其中混凝土单元和垫块使用上述的C3D8R，钢单元使用上述的T3D2。钢筋骨架与垫块、混凝土芯之间的约束分别由ABAQUS软件中的Embedded Region命令和Tie命令执行。混凝土和钢筋的最终单元模型如图1所示。加载采用力加载的方式逐级加载，根据裂缝的宽度和挠度的变化判断是否结构破坏，读取位移和加载数据用于进一步计算分析。

2 结果对比分析

1)钢筋混凝土变形后的有限元模型 图2所示为再生钢筋混凝土整体梁、再生素混凝土和钢筋骨架的变形后模型。

图3显示了不同置换率(0、30%和75%)下再生混凝土梁的破坏位移。对比分析可得：再生混凝土梁的挠度随着再生骨料替代率的增多而增大。三种测试梁损坏时的具体挠度值在右侧显示，有限元模拟的位移与已有试验分析中跨中挠度数值近似，表明有限元分析的正确性。

2) 荷载位移曲线 再生混凝土梁跨中截面的弯曲挠度随外荷载变化规律如图4所示。对比分析不同置换率下的有限元结果可以发现：加载初期，由于单元的抗弯刚度较大而呈现线性增加的变化；随荷载逐渐增加，直到混凝土达到拉伸极限并出现裂缝，其上升曲线有下降趋势，并出现转折；随着荷载的不断增加，开裂梁中的裂缝逐渐增多并继续向上延伸直至破坏，梁抗弯刚度减小而梁截面的弯曲挠度逐渐增大。在建模过程中，假设各单元材料是均匀的、各向同性的，使用Embedded命令模拟钢筋和混凝土的相互作用，由于存在与实际情况不符的可能，导致最终荷载和挠度的模拟结果大于测试所得。

3) 计算值与试验值的结果对比 表2给出了再生混凝土梁在破坏时的跨中挠度、最终承载力和开裂荷载的模拟和试验值。挠度和极限承载力的模拟结果高于试验值，而开裂荷载的模拟结果略低于试验值。该现象可能是由于ABAQUS有限元软件模拟所用混凝土的单轴压缩的本构关系与试验之间有所差别[6]，或两者在分析计算过程中均存在不利因素，最终影响测试结果。

表2 试验值与计算值的对比

3 结 论

a.再生混凝土梁的挠度随着再生骨料置换率的增加而增大。随着粗骨料置换率的提高，整个梁的挠度受到更大的影响，梁的抗弯性能下降，但下降不显著。

b.挠度和极限承载力的模拟结果高于试验值，而开裂荷载的模拟结果略低于试验值。无论是否为再生混凝土，钢筋的力学性能基本相同，置换率对钢筋没有影响，但在实际工程中需考虑钢筋与混凝土的粘结受置换率的影响。

c.该结论仅适用于该典型受弯简支梁模型，其他假设条件下再生骨料置换率对构件载荷的受弯影响需要进一步研究以更好地应用于实践。