宋 力，辛 宇，樊 成

(大連大學(xué) 材料破壞力學(xué)數(shù)值試驗中心，遼寧 大連 116622)

近年來隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，建筑物的結(jié)構(gòu)形式日趨多樣化和復(fù)雜化，而與之相應(yīng)的各種輔助設(shè)施(通風(fēng)、供暖、消防等)系統(tǒng)龐大而又復(fù)雜[1].在梁下走管線的傳統(tǒng)設(shè)計不僅會增加建筑物的實際高度，而且會提高建筑成本.與此同時，目前我國的建筑設(shè)計提倡綠色、高效、環(huán)保.因此，急需一種全新的設(shè)計方案，保證建筑物的有效利用.建筑物的層高是由結(jié)構(gòu)高度、設(shè)備管道高度和樓層凈高等附屬高度組成[2].梁腹部開孔可以使各種管線設(shè)施從梁中的預(yù)留孔洞中穿過，這樣不僅可以減輕構(gòu)件自重，而且可以提升空間高度，從而有效節(jié)約工程的總體造價.

研究資料[3]表明，孔洞位置影響梁的受彎性能.目前開孔梁的研究大多只是單純的模擬計算或者單純的試驗分析.本文將物理試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合，探究開孔水平位置對梁構(gòu)件的承載能力以及梁破壞時截面裂縫的開展情況產(chǎn)生的影響.

1 RC梁的物理試驗

1.1 梁的模型尺寸

試件模型為混凝土簡支梁，包括在梁腹部純彎段開設(shè)單孔的構(gòu)件、梁腹部剪彎段開設(shè)單孔的構(gòu)件以及實腹梁構(gòu)件.梁的截面尺寸為120 mm×200 mm，跨度為1.8 m，混凝土保護層厚度為25 mm.梁截面下部配有受拉筋，其標準為2根B14 mm，所配箍筋標準為14根B6@120 mm；梁截面上部配有受壓筋，其標準為2根B10 mm；在梁純彎段和剪彎段開有直徑為70 mm的圓孔.不同RC梁的幾何尺寸、具體參數(shù)和配筋圖如圖1所示(單位：mm).

1.2 試件的制作

所制試件的混凝土強度等級為C30.采用大連金山水泥制造有限公司生產(chǎn)的32.5號普通硅酸鹽水泥，大連宏基集團生產(chǎn)的粒徑為16～31.5 mm的碎石粗骨料，以及中等粒度河砂細骨料，按照水泥、砂子、石子、水的配合比1∶1.8∶3.48∶0.52進行配料[4].混凝土澆筑后，采用振搗棒結(jié)合人工插搗成型，并于室溫下自然養(yǎng)護28 d.養(yǎng)護期間利用各種措施進行保濕，保證模板接縫處不致失水干燥.預(yù)留3個尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的試件在相同條件下進行養(yǎng)護以測試混凝土立方體的抗壓強度，不同試件的強度如表1所示.由表1可知，不同試件的平均抗壓強度為35.6 MPa.此外，梁內(nèi)箍筋為B6光圓鋼筋，其屈服強度為320 N/mm2，極限強度為485 N/mm2；梁上部受壓鋼筋為B10帶肋鋼筋，其屈服強度為506 N/mm2，極限強度為635 N/mm2；梁下部受拉鋼筋為B14帶肋鋼筋，其屈服強度為508 N/mm2，極限強度為646 N/mm2.

采用手搖液壓式千斤頂施加荷載，在大連大學(xué)建筑工程學(xué)院結(jié)構(gòu)試驗室進行具體試驗加載.圖2為進行簡支梁受彎性能測試時所采用的加載裝置.加載裝置采取兩點集中力對稱加載方式，液壓式千斤頂提供壓力促使梁截面分配荷載，在梁的跨中形成純彎段，從而使得壓力傳感器可以測定相應(yīng)的荷載值.

表1 不同試件的強度Tab.1 Strength of different specimens

圖2 試驗加載裝置Fig.2 Test loading device

1.3 試驗結(jié)果分析

在梁加載試驗中，梁的承載力分為正常使用階段的極限荷載和破壞荷載[7].相關(guān)規(guī)范中規(guī)定：當施加的荷載使跨中最大裂縫寬度達到0.3 mm時，將此時的荷載值作為正常使用階段的極限荷載；梁跨中縱筋屈服時產(chǎn)生屈服位移所對應(yīng)的荷載為屈服荷載；當受拉主鋼筋處最大垂直裂縫寬度達到1.5 mm時，可認為該構(gòu)件已經(jīng)達到承載力極限[8].

表2為在RC梁試驗過程中受力階段的荷載值.由表2可見，B2梁的開裂荷載較B1、B3梁呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，而B3梁的正常使用極限荷載、屈服荷載和承載力極限荷載較B1、B2梁均有明顯下降，表明剪彎段開孔對梁的破壞形態(tài)具有較明顯的影響.

表2 試件各階段荷載值Tab.2 Load values of specimens at each stage kN

試驗前按照混凝土設(shè)計規(guī)范中的要求對RC梁進行了正截面承載力計算.B2、B3梁的上弦高度均為65 mm，小于受壓區(qū)高度，即整個上弦桿均為受壓區(qū).當進行開孔梁正截面承載力計算時(針對開孔高度小于梁高40%的情況)，其極限承載力與實腹梁承載力的計算公式相同.

不同RC梁的試驗裂縫破壞形態(tài)如圖3所示.由圖3可見，B1和B2梁在剪彎段的裂縫分布和走向十分相似，兩者都是在純彎段先產(chǎn)生一條裂縫，區(qū)別在于B2梁在孔洞下方首先出現(xiàn)裂縫.此外，B1、B2梁在純彎段受拉區(qū)產(chǎn)生的裂縫垂直于梁縱軸線方向，且屬于由彎矩作用產(chǎn)生的正截面破壞，而支座處附近產(chǎn)生的斜裂縫是由梁底彎曲裂縫發(fā)展而成，該裂縫會進一步發(fā)展至實腹梁頂部，使得材料發(fā)生延性破壞.B3梁在孔洞處出現(xiàn)了較多的45°走向斜裂縫，裂縫出現(xiàn)次序和走向與B1和B2梁均不同，裂縫先從底座處萌生并由孔洞方向發(fā)展至梁頂部，使得材料沿孔洞周圍發(fā)生脆性破壞.

圖3 梁的裂縫破壞形態(tài)Fig.3 Crack damage morphologies of beams

2 有限元模型的建立

2.1 材料屬性

σ=(1-dc)Ecε

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

2.2 單元選取

假定鋼筋和混凝土之間粘結(jié)良好，不考慮二者之間的相對滑移，本文采用分離式建模方式[11].根據(jù)鋼筋和混凝土的不同力學(xué)性能采用不同單元進行計算，混凝土單元采用C3D8R單元，即利用八節(jié)點六面體三維實體單元進行線性縮減積分，該單元可以將混凝土的開裂、彈性變形和塑性變形等非線性問題進行很好地處理.鋼筋單元采用T3D2單元，每個節(jié)點在x、y、z軸上共有三個自由度，且桁架單元只能承受軸力，不能承受彎矩.

2.3 建模結(jié)果

圖4為模擬得到的混凝土梁的受拉損傷應(yīng)力云圖.對比圖4發(fā)現(xiàn)，B3梁底部的損傷范圍較大，且支座處附近的混凝土損傷范圍也比B1、B2梁大.與梁純彎段開孔的B2梁試件相比，B3梁孔洞周圍具有較明顯的不同程度混凝土損傷，這與圖3所述的孔洞位置對混凝土開裂的影響規(guī)律一致，可見開孔對混凝土梁抗剪能力的影響較大.

圖4 混凝土梁的受拉損傷應(yīng)力云圖Fig.4 Stress nephograms of tensile damage of concrete beams

圖5 試件的荷載位移曲線Fig.5 Load-displacement curves of specimens

3 結(jié) 論

通過物理試驗和數(shù)值模擬對不同類型的開孔RC梁進行對比分析并得出如下結(jié)論：

1) 當在純彎段開孔時，梁的開裂荷載較實腹梁相比呈現(xiàn)明顯下降趨勢，但正常使用情況下的極限荷載和屈服荷載下降趨勢不大，孔洞周圍的裂縫變化情況與實腹梁相比也不是很大.當梁孔位置設(shè)置合適時，純彎段開孔對梁的承載力影響不大，故可以忽略.

2) 當在剪彎段開孔時，梁正常使用情況下的極限荷載和屈服荷載較實腹梁均呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，孔洞周圍應(yīng)力集中且出現(xiàn)了較多裂縫，易使梁發(fā)生較明顯的脆性破壞，故剪彎段開孔對梁的承載力影響較大.針對開孔對剪彎段造成的影響，可以在孔洞周圍加設(shè)補強鋼筋，從而提高材料的抗剪能力.