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        鐵尾礦砂鋼筋混凝土梁抗彎性能研究

        2021-10-26 04:52:20郭博宇王興國(guó)
        關(guān)鍵詞:鐵尾礦砂軸心

        郭博宇,王興國(guó)

        (華北理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院,河北 唐山 063210)

        引言

        隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展,工業(yè)與民用建筑越來(lái)越多,對(duì)混凝土的需求量越來(lái)越大。將鐵尾礦砂替代普通河砂作為細(xì)骨料制成混凝土,既可解決天然河沙緊缺的問(wèn)題,又可將鐵尾礦砂回收再利用。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者在鐵尾礦砂混凝土力學(xué)性能方面取得了很多研究成果[1-5],為鐵尾礦砂混凝土在工程中的應(yīng)用提供了參考。在文獻(xiàn)[1-5]中,對(duì)鐵尾礦砂混凝土的抗壓強(qiáng)度、彈性模量、應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明,用鐵尾礦砂代替河砂,會(huì)顯著提高混凝土的抗壓強(qiáng)度,其彈性模量略有提高,當(dāng)鐵尾礦砂混凝土的強(qiáng)度等級(jí)小于等于C40時(shí),應(yīng)力-應(yīng)變曲線與普通混凝土的相近,當(dāng)鐵尾礦砂混凝土的強(qiáng)度等級(jí)大于C40時(shí),下降段較普通混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變陡。

        在文獻(xiàn)[6,7]中,通過(guò)對(duì)鐵尾礦砂鋼筋混凝土梁進(jìn)行足尺抗彎試驗(yàn),研究了鐵尾礦砂鋼筋混凝土梁在不同混凝土強(qiáng)度和配筋率下,對(duì)梁抗彎承載力、剛度、裂縫的影響。該項(xiàng)研究借鑒文獻(xiàn)[6,7]中關(guān)于鐵尾礦砂鋼筋混凝土梁抗彎性能的試驗(yàn)結(jié)果,并建立數(shù)值模型對(duì)鐵尾礦砂鋼筋混凝土梁進(jìn)行模擬,采用普通鋼筋混凝土梁受彎公式計(jì)算抗彎承載力,三者對(duì)比分析鐵尾礦砂鋼筋混凝土梁抗彎性能。

        1簡(jiǎn)支梁的受彎計(jì)算

        1.1 試件設(shè)計(jì)

        采用截面為200 mm ×400 mm,跨度為3 m的鐵尾礦砂混凝土簡(jiǎn)支梁。箍筋采用直徑為8 mm,加密區(qū)間距為100 mm,非加密區(qū)間距為200 mm的HPB300鋼筋。架立筋采用 2 根直徑為12 mm的HPB300鋼筋。受拉縱筋采用HRB400鋼筋。梁保護(hù)層厚度為20 mm,試驗(yàn)梁設(shè)計(jì)樣圖如圖1所示。

        圖1 試驗(yàn)梁設(shè)計(jì)樣圖

        M=0.9P

        (1)

        式中:M為梁屈服彎矩,P為梁屈服荷載。

        1.2 受彎構(gòu)件正截面受彎承載力計(jì)算

        1.2.1基本原理

        單筋矩形截面受彎構(gòu)件的正截面受彎承載力計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖2所示,圖中的x稱為混凝土受壓區(qū)高度,z稱為內(nèi)力臂。

        圖2 受彎構(gòu)件正截面受彎承載力計(jì)算簡(jiǎn)圖

        由力的平衡條件得:

        (2)

        由力矩平衡條件得:

        (3)

        式中:Mu為正截面受彎承載力,單位為kN·m,a1為受壓區(qū)混凝土矩形應(yīng)力圖的應(yīng)力值與混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的比值,fy為鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,單位為MPa,fc為混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,單位為MPa,b為矩形截面梁寬度,單位為mm,x為混凝土受壓區(qū)高度,單位為mm,As受拉區(qū)鋼筋面積,單位為mm2,h0為截面有效高度,單位為mm,h為矩形截面梁高度,單位為mm。

        1.2.2適用條件

        為避免受彎構(gòu)件發(fā)生少筋破壞,其一側(cè)縱向受拉鋼筋的配筋百分率應(yīng)不小于0.2%和0.45ft/fy中的較大值,ft為混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。為避免受彎構(gòu)件發(fā)生超筋破壞,規(guī)定ξ≤ξb。ξ為相對(duì)受壓區(qū)高度,ξb為界限相對(duì)受壓區(qū)高度。

        1.3 理論計(jì)算結(jié)果

        在滿足適用條件前提下,根據(jù)單筋矩形截面受彎構(gòu)件的正截面受彎承載力計(jì)算原理計(jì)算梁的屈服荷載,計(jì)算結(jié)果如表1所示。

        表1 鐵尾礦砂梁的計(jì)算屈服荷載

        2數(shù)值模擬

        2.1 數(shù)值模擬參數(shù)

        2.1.1彈性模量、抗拉強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度

        用鐵尾礦砂代替河砂,會(huì)顯著提高混凝土的抗壓強(qiáng)度[1,2],鐵尾礦砂混凝土彈性模量略高于普通混凝土彈性模量[3],根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2010)[8]提出的普通混凝土彈性模量、抗拉強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度簡(jiǎn)化計(jì)算方法,計(jì)算鐵尾礦砂混凝土彈性模量、抗拉強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度。

        (4)

        (5)

        (6)

        其中:強(qiáng)度等級(jí)C50及以下ac1混凝土軸心抗壓強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度的比值取0.76,ac2為混凝土抗壓強(qiáng)度脆性折減系數(shù),強(qiáng)度等級(jí)C40的混凝土取1.0,強(qiáng)度等級(jí)C80的混凝土取0.87,中間線性插值。

        2.1.2鐵尾礦砂混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

        鐵尾礦砂混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用由康洪震[5]提出的:

        (7)

        (8)

        其中:x=ε/εp,y=σ/σp,fc混凝土軸心抗壓強(qiáng)度,aa為上升段形狀參數(shù),ad為下降段形狀參數(shù)。

        根據(jù)文獻(xiàn)[6]中不同強(qiáng)度鐵尾礦砂混凝土立方塊的抗壓強(qiáng)度,用普通混凝土彈性模量、抗拉強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度簡(jiǎn)化計(jì)算方法和由康洪震[5]提出的鐵尾礦砂混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,畫(huà)出不同強(qiáng)度鐵尾礦砂混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線,如圖3所示。

        圖3 不同強(qiáng)度鐵尾礦砂混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線

        由圖3可以看出,強(qiáng)度為WC50的混凝土其應(yīng)力-應(yīng)變曲線,較混凝土強(qiáng)度為WC40和WC30的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的下降段陡。

        2.2 數(shù)值模擬模型建立

        鋼筋骨架內(nèi)置于混凝土梁內(nèi),混凝土采用八結(jié)點(diǎn)線性六面體單元C3D8R模擬,鋼筋采用兩結(jié)點(diǎn)線性三維桁架單元T3D2模擬,通過(guò)Abaqus建立數(shù)值模型,如圖4所示。

        圖4 鐵尾礦砂混凝土梁數(shù)值模擬模型

        2.3 數(shù)值模擬結(jié)果

        通過(guò)Abaqus建立數(shù)值模擬模型,得出模擬屈服強(qiáng)度,如表2所示。

        表2 鐵尾礦砂梁的模擬屈服荷載

        3梁抗彎承載力分析

        3.1 結(jié)果對(duì)比

        根據(jù)文獻(xiàn)[6]中關(guān)于鐵尾礦砂鋼筋混凝土梁的抗彎性能試驗(yàn)結(jié)果,以及根據(jù)普通鋼筋混凝土單筋矩形梁受彎公式計(jì)算的屈服荷載和數(shù)值模擬所得的屈服荷載進(jìn)行對(duì)比,繪制對(duì)比圖,如圖5所示。

        圖5 梁屈服荷載實(shí)驗(yàn)值、計(jì)算值、模擬值對(duì)比圖

        由圖5可以看出,由三者所得屈服荷載所繪曲線形狀相似,模擬值略高于計(jì)算值,實(shí)驗(yàn)值大于模擬值和計(jì)算值。按照普通鋼筋混凝土梁受彎公式計(jì)算的屈服荷載,架立筋未按照受壓鋼筋考慮,未考慮混凝土的抗拉強(qiáng)度,混凝土受壓的應(yīng)力-應(yīng)變曲線采用的是拋物線上升段和水平段的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,有限元模擬模型中的架立筋參與模型計(jì)算,考慮了混凝土的抗拉強(qiáng)度,應(yīng)力-應(yīng)變曲線有上升段和下降段,所以模擬值略高于計(jì)算值。有限元模擬時(shí),鐵尾礦砂混凝土的抗拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線及拉伸損傷,采用的普通混凝土的,梁一般為帶裂縫工作,受拉時(shí)剛度會(huì)退化,對(duì)模擬的屈服荷載影響較大;模擬時(shí),鐵尾礦砂混凝土彈性模量、抗拉強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度,根據(jù)普通混凝土彈性模量、抗拉強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度簡(jiǎn)化計(jì)算方法計(jì)算,鋼筋的屈服應(yīng)力為規(guī)范規(guī)定的360 MPa,導(dǎo)致采用參數(shù)均偏于保守,所以實(shí)驗(yàn)所得屈服荷載較大,通過(guò)公式與模擬所計(jì)算的梁抗彎承載力有可靠的儲(chǔ)備。因此用有限元模擬鐵尾礦砂混凝土梁抗彎承載力是有效的,用普通鋼筋混凝土梁受彎公式計(jì)算梁抗彎承載力是合理的。

        3.2 鐵尾礦砂混凝土強(qiáng)度對(duì)梁抗彎承載力的影響

        根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果、計(jì)算結(jié)果、模擬結(jié)果,分別計(jì)算出WC30、WC40、WC50鐵尾礦砂混凝土梁的抗彎承載力,圖6為實(shí)驗(yàn)、計(jì)算、模擬結(jié)果下的鐵尾礦砂混凝土梁的抗彎承載力。

        圖6 鐵尾礦砂混凝土梁的抗彎承載力

        由圖6(a)可以看出,不同強(qiáng)度下的鐵尾礦砂混凝土梁抗彎承載力實(shí)驗(yàn)值變化不大?;炷吝m筋梁破壞特點(diǎn)為:受拉區(qū)鋼筋屈服,受壓區(qū)混凝土壓碎。強(qiáng)度小于C50的普通混凝土極限壓應(yīng)變?yōu)?.003 3,從圖3可以看出,應(yīng)變?yōu)?.003 3時(shí),WC50的應(yīng)力處于WC40和WC30之間,所以WC50的抗彎承載力略低于WC40的抗彎承載力。由圖6(b)與圖6(c)可以看出,不同強(qiáng)度下的鐵尾礦砂混凝土梁抗彎承載力計(jì)算值、模擬值基本相同。所以,鐵尾礦砂混凝土強(qiáng)度對(duì)梁抗彎承載力影響不大。

        3.3 配筋率對(duì)鐵尾礦砂混凝土梁抗彎承載力的影響

        根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果、計(jì)算結(jié)果、模擬結(jié)果,計(jì)算出如圖7所示不同配筋率下WC40鐵尾礦砂混凝土適筋梁的抗彎承載力。

        圖7 不同配筋率下鐵尾礦砂混凝土梁抗彎承載力

        由圖7可以看出,鐵尾礦砂混凝土適筋梁抗彎承載力隨梁配筋率的增大而增大。

        3.4 鐵尾礦砂混凝土梁與普通混凝土梁對(duì)比

        根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果、計(jì)算結(jié)果、模擬結(jié)果,計(jì)算出WC40和C40混凝土梁的抗彎承載力,如圖10所示。

        由圖8可以看出,WC40和C40混凝土梁的計(jì)算值和模擬值基本相同,由于各構(gòu)件材料性能不能保證完全一致,且加工構(gòu)件存在安裝誤差等原因,實(shí)驗(yàn)值有所差距,但大致相同。鐵尾礦砂混凝土梁與普通混凝土梁相比抵抗彎矩的能力大致相同。

        圖8 WC40和C40混凝土梁的抗彎承載力

        4結(jié)論

        (1)用數(shù)值模擬的方法和普通鋼筋混凝土梁受彎公式計(jì)算的方法,計(jì)算鐵尾礦砂混凝土梁抗彎承載力是合理的。

        (2)鐵尾礦砂混凝土強(qiáng)度對(duì)梁抗彎承載力影響不大。

        (3)鐵尾礦砂混凝土適筋梁抗彎承載力隨梁配筋率的增加而增大。

        (4)鐵尾礦砂混凝土梁與普通混凝土梁相比抵抗彎矩的能力大致相同。

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