姜立偉，李成飛，段亞茹，陳 康

（北京中建建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100076）

當(dāng)今時(shí)代，建筑結(jié)構(gòu)飛速發(fā)展，結(jié)構(gòu)大型化趨勢(shì)明顯，國際上均開始采用焊接性能更好且強(qiáng)度更高的高強(qiáng)鋼筋[1]。高強(qiáng)鋼筋不但可以減少鋼筋的使用量，還可以節(jié)省施工成本，同時(shí)對(duì)于環(huán)境保護(hù)也提供助力。我國在《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50010—2010 中也倡導(dǎo)使用高強(qiáng)高性能的鋼筋，并在《鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋》最新修訂稿中增加了HRB600 級(jí)鋼筋。但由于缺乏相應(yīng)的基礎(chǔ)性試驗(yàn)研究，直接影響了HRB600 級(jí)鋼筋在工程中的應(yīng)用。目前我國對(duì)于高強(qiáng)鋼筋的研究主要集中在HRB500 級(jí)，而混凝土等級(jí)則普遍集中在C70 以下，兩者強(qiáng)度相較于發(fā)達(dá)國家而言，均明顯偏低。國內(nèi)對(duì)于高強(qiáng)鋼筋混凝土梁的研究大部分采用的都是普通級(jí)別的混凝土，如趙進(jìn)階等研究500 MPa 細(xì)晶粒鋼筋混凝土梁的受彎性能試驗(yàn)中[2]，混凝土采用C50 級(jí)別。葛文杰等進(jìn)行400 MPa 與500 MPa 細(xì)晶粒高強(qiáng)鋼筋配置的高強(qiáng)混凝土梁在抗彎性能試驗(yàn)中混凝土等級(jí)采用C30[3]。戎賢教授等對(duì)配置600 MPa 級(jí)鋼筋的C50～C60 混凝土梁和部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁的受彎性能進(jìn)行了研究[4-5]。湖南大學(xué)[6]、鄭州大學(xué)[7]與安徽工業(yè)大學(xué)[8]等進(jìn)行的高強(qiáng)鋼筋混凝土梁受彎試驗(yàn)中，混凝土等級(jí)同樣偏低?？梢钥闯鰧?duì)于同時(shí)采用高強(qiáng)混凝土的梁研究還是非常少的，如果同時(shí)采用高強(qiáng)混凝土，混凝土與鋼筋的高強(qiáng)是否可以充分發(fā)揮，還需要以后的研究結(jié)果來說明。尤其是對(duì)HRB600 級(jí)鋼筋混凝土構(gòu)件的研究資料十分稀少，計(jì)劃對(duì)HRB600 級(jí)鋼筋高強(qiáng)混凝土受彎構(gòu)件的性能進(jìn)行研究，揭示其破壞機(jī)理與受彎性能特點(diǎn)，為以后的研究與工程應(yīng)用提供參考。

為了優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)試驗(yàn)的影響，筆者利用ABAQUS 有限元軟件建模，與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，并分析了混凝土強(qiáng)度、縱筋強(qiáng)度、縱筋配筋率對(duì)HRB600 級(jí)鋼筋高強(qiáng)混凝土梁受彎性能的影響。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

HRB600 級(jí)鋼筋高強(qiáng)混凝土梁受彎試驗(yàn)選自北京工業(yè)大學(xué)張建偉教授已完成的試驗(yàn)[9]，試驗(yàn)以混凝土強(qiáng)度等級(jí)、鋼筋強(qiáng)度等級(jí)、配筋率、保護(hù)層厚度、縱筋直徑為主要變化參數(shù)，共設(shè)計(jì)10 根混凝土梁，具體參數(shù)見表1。試件的配筋情況如圖1 所示，箍筋為HPB300 級(jí)鋼筋，架立筋為HRB600 級(jí)鋼筋。材料力學(xué)性能、加載方式及測(cè)點(diǎn)布置參照文獻(xiàn)[9]。

表1 試件設(shè)計(jì)參數(shù)

2 有限元模型

2.1 材料本構(gòu)關(guān)系

本模擬試驗(yàn)混凝土本構(gòu)關(guān)系采用Hongnestad的數(shù)學(xué)模型，該模型的上升段為二次拋物線，而下降段為斜直線，直到受壓的極限應(yīng)變。

數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

為了方便模型的建立，鋼筋采用等向彈塑性模型，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用“雙直線”的完全彈塑性模型，泊松比取0.3。

為了能更加準(zhǔn)確的模擬整個(gè)試件的加載過程，模擬時(shí)材料的強(qiáng)度均采用實(shí)測(cè)強(qiáng)度。

2.2 模型建立

網(wǎng)格劃分時(shí)混凝土采用8 節(jié)點(diǎn)三維積分實(shí)體單元C3D8R，鋼筋采用三維桁架單元T3D2，通過切割構(gòu)件模型，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)劃分網(wǎng)格。

為了保證計(jì)算的精確性和模擬計(jì)算可以收斂，將網(wǎng)格劃分成50 mm×50 mm，網(wǎng)格劃分見圖2。

與文獻(xiàn)[9]中試驗(yàn)相同，模擬中也采用三分點(diǎn)的單調(diào)加載方式，通過向三分點(diǎn)處的參考點(diǎn)施加豎向位移進(jìn)行加載。模型底部的參考點(diǎn)約束為一端鉸接，一端剛接，并設(shè)置加載鉸。鋼筋混凝土之間采用Embed 約束，參考點(diǎn)與加載鉸表面采用Coupling 約束，加載墊板與混凝土試件間采用Tie 約束。

3 設(shè)計(jì)參數(shù)影響分析

為了對(duì)HRB600 級(jí)高強(qiáng)混凝土梁的受彎性能進(jìn)行深入研究，對(duì)影響其性能的主要參數(shù)進(jìn)行了分析，本文對(duì)文獻(xiàn)[9]中的混凝土強(qiáng)度、縱筋配筋率、縱筋強(qiáng)度等參數(shù)進(jìn)行了深入模擬分析。

3.1 混凝土強(qiáng)度

文獻(xiàn) [9]中關(guān)于混凝土強(qiáng)度等級(jí)設(shè)計(jì)了C40，C60，C80，C100 四個(gè)等級(jí)，參數(shù)變化能夠較系統(tǒng)地分析混凝土強(qiáng)度對(duì)HRB600 級(jí)鋼筋高強(qiáng)混凝土梁受彎性能的影響，不再多添加新的參數(shù)模型，以試驗(yàn)為基礎(chǔ)，對(duì) B1，B2，B3，B4 四個(gè)模型進(jìn)行有限元分析，荷載-位移曲線對(duì)比如圖3 所示。

由圖3 可以發(fā)現(xiàn)，彈性階段內(nèi)，相同荷載作用下，4 個(gè)模型的位移相近；隨著混凝土強(qiáng)度的增大，模型的極限承載力略有提高，但不明顯。

3.2 縱筋配筋率影響

為了進(jìn)一步研究不同縱筋配筋率對(duì)HRB600級(jí)鋼筋高強(qiáng)混凝土梁的受彎性能影響，在文獻(xiàn)[9]試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，增加了1 個(gè)模型B11，模型參數(shù)見表2，B11 模型除了配筋率與B3 模型不同外，其他參數(shù)均相同。

表2 模型設(shè)計(jì)參數(shù)

配筋率分別為1.06%，1.69%，2.17%，2.53%的4個(gè)模型 B3，B6，B11，B7 的荷載-位移曲線如圖 4 所示。

配置不同縱筋配筋率的4 個(gè)模型，在彈性段內(nèi)，隨著配筋率的增高，模型的剛度越大，相同荷載下，位移越??；隨著縱筋配筋率的增大，模型的極限承載力提高十分明顯，當(dāng)配筋率達(dá)到2.53%時(shí)，模型呈現(xiàn)出超筋梁的破壞形態(tài)，與試驗(yàn)結(jié)果一致。綜上可知，縱筋配筋率對(duì)HRB600 級(jí)鋼筋高強(qiáng)混凝土梁的剛度及承載力有很大影響。

3.3 縱筋強(qiáng)度影響

為了進(jìn)一步研究不同縱筋強(qiáng)度對(duì)HRB600 級(jí)鋼筋高強(qiáng)混凝土梁的受彎性能影響，在試驗(yàn)文獻(xiàn)[9]的基礎(chǔ)上，增加了1 個(gè)模型B12，模型參數(shù)見表3。B12 除了縱筋強(qiáng)度為HRB500 級(jí)外，其他參數(shù)與B3，B9 模型均相同。

縱筋強(qiáng)度等級(jí)分別為 HRB400，HRB500，HRB600 的 3 個(gè)模型 B9，B12，B3 的荷載-位移曲線對(duì)比如圖5 所示。

配置不同縱筋強(qiáng)度的3 個(gè)模型，在彈性段內(nèi)，荷載-位移曲線幾乎重合，相同荷載下，各模型的位移十分接近；隨著縱筋等級(jí)的增大，模型的極限承載力提高十分明顯，說明縱筋強(qiáng)度等級(jí)對(duì)HRB600級(jí)鋼筋高強(qiáng)混凝土梁的承載力影響很大。

表3 模型設(shè)計(jì)參數(shù)

4 結(jié)論

通過使用ABAQUS 軟件建立了10 根HRB600級(jí)鋼筋高強(qiáng)混凝土梁有限元分析模型，在試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并與試驗(yàn)結(jié)果比較主要結(jié)論如下。

通過增加設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化模擬分析，可以發(fā)現(xiàn)隨著混凝土強(qiáng)度的增大，HRB600 級(jí)鋼筋高強(qiáng)混凝土梁的極限承載力略有提高；縱筋配筋率及強(qiáng)度對(duì)模型的極限承載力有較大影響，極限承載力會(huì)隨著兩者的增大顯著提高。