黃平明,潘旭鵬,牛艷偉,杜隆基,王 蒂
(1. 長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院,陜西,西安 710064;2. 舊橋檢測(cè)與加固技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(長(zhǎng)安大學(xué)),陜西,西安 710064;3. 中交公路長(zhǎng)大橋建設(shè)國(guó)家工程研究中心有限公司,北京 100032)
傳統(tǒng)的宏觀混凝土模型假設(shè)為均質(zhì)材料,可以簡(jiǎn)化計(jì)算并節(jié)省大量的計(jì)算資源。但不能反應(yīng)出混凝土內(nèi)部非均質(zhì)性引起的局部損傷與斷裂,難以研究混凝土材料破壞機(jī)理與裂縫擴(kuò)展過程。因此進(jìn)行混凝土細(xì)觀斷裂模擬研究十分必要[1-3]。掌握混凝土內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展及貫通的過程,才能客觀地認(rèn)識(shí)并描述混凝土材料非線性力學(xué)性能,保證結(jié)構(gòu)安全服役[4]。為了研究混凝土的裂縫發(fā)展全過程及破壞機(jī)理,需要將混凝土模擬為三相組成的復(fù)合材料(骨料、砂漿、兩者之間的界面過渡區(qū))進(jìn)行精細(xì)的分析。
離散元法在巖土工程領(lǐng)域已有較多的應(yīng)用,但在橋梁領(lǐng)域應(yīng)用還較少。離散元的優(yōu)勢(shì)在于能夠模擬顆粒材料的非均質(zhì)性及巖石的節(jié)理面,而混凝土材料與巖石材料具有一定的相似性,力學(xué)性質(zhì)都屬于脆性材料。同時(shí),混凝土的裂縫類似于巖石的節(jié)理??嫡萚5]通過離散元法研究了混凝土的端部效應(yīng),加載板與試件接觸面之間的摩擦力將約束混凝土試件的橫向膨脹,使得混凝土強(qiáng)度提高。但未考慮混凝土骨料級(jí)配的影響,其顆粒的粒徑設(shè)置在4 mm~6 mm。王立成等[6]采用細(xì)觀剛體彈簧元法模擬了鋼筋混凝土梁的彎曲受力性能和破壞過程。數(shù)值計(jì)算得到了鋼筋混凝土梁的破壞形態(tài)和荷載-變形曲線,并分析了受力過程中縱向鋼筋的應(yīng)力變化,但這種計(jì)算方法計(jì)算效率偏低。邢立坤[7]采用細(xì)觀剛體彈簧元法模擬了鋼筋混凝土梁的四點(diǎn)彎曲,只對(duì)重點(diǎn)研究部位細(xì)觀網(wǎng)格劃分,其他部分采用宏觀混凝土單元模擬分析,以獲得較高的計(jì)算效率。除此以外,還有很多學(xué)者采用通過MATLAB 編程、CT 掃描、圖像識(shí)別等方法得到粗骨料幾何模型,再通過有限元模型進(jìn)行計(jì)算。TRAWI?SKI 等[8]采用X-ray和CT 圖像建立了真實(shí)的骨料分布數(shù)值模型,并進(jìn)行了缺口梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)。RODRIGUES 等[9]根據(jù)混凝土級(jí)配曲線建立了素混凝土裂紋多尺度擴(kuò)展模型。這種技術(shù)的難點(diǎn)在于有限元網(wǎng)格劃分時(shí)節(jié)點(diǎn)耦合處理,而且多面體骨料的生成過程也較為復(fù)雜。唐欣薇等[10-11]在骨料的投放方面做了很多的研究,設(shè)計(jì)了分層擺放等方法優(yōu)化了骨料的投放。金瀏等[12-14]建立了考慮混凝土細(xì)觀組分的分析方法,優(yōu)化了計(jì)算效率。其細(xì)觀數(shù)值模型的建立需要?jiǎng)澐执罅繂卧?,這種方法在建立大尺寸鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)細(xì)觀數(shù)值模型仍具有一定困難。
不同于傳統(tǒng)的有限元,離散元法的獨(dú)特之處在于,它明確地考慮了顆粒材料中的單個(gè)顆粒及其相互作用。離散元法不需要考慮網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的耦合,將整體的材料離散為Ball 單元。通過給單元之間的黏結(jié)鍵賦予簡(jiǎn)單的本構(gòu)關(guān)系,表達(dá)材料的力學(xué)行為。本文引入PFC2D 建立考慮混凝土骨料級(jí)配的離散元細(xì)觀數(shù)值模型,并通過平行黏結(jié)模型賦予顆粒之間的接觸本構(gòu)??紤]混凝土為砂漿、粗骨料及界面過渡區(qū)的三相復(fù)合材料。通過混凝土標(biāo)準(zhǔn)棱柱單軸壓縮模擬對(duì)混凝土細(xì)觀參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定,并通過軸向拉伸試驗(yàn)?zāi)M對(duì)鋼筋的細(xì)觀參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。最后,針對(duì)鋼筋混凝土梁四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)展開混凝土細(xì)觀裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展及貫通的全過程模擬,并討論缺口對(duì)鋼筋混凝土梁裂縫擴(kuò)展規(guī)律和極限承載力的影響。同時(shí),從加載速度和顆粒單元位置相對(duì)變動(dòng)的角度,對(duì)四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中荷載-位移曲線波動(dòng)的情況予以說明。
平行黏結(jié)接觸模型[15](parallel bond model,PBM) 可以看成2 組彈簧單元:一組為線性彈簧,可以傳遞壓力和剪力;另一組為平行黏結(jié)彈簧,可以傳遞拉力、壓力、剪力和力矩。顆粒之間的力學(xué)行為主要表現(xiàn)為:顆粒為不可變形的剛性材料,通過顆粒間的重疊量及錯(cuò)動(dòng)位移表征顆粒間的法向力及切向力。顆粒相互重疊時(shí),法向力為正值;相互分離時(shí),法向力為負(fù)值。平行黏結(jié)模型力和彎矩傳遞方式如圖1 所示。
圖1 平行黏結(jié)力和彎矩傳遞示意圖Fig. 1 The force and bending moment transmission process of parallel bond model
鋼筋材料與混凝土材料相比,最大區(qū)別在于鋼筋材料在單軸拉伸過程中的屈服段和強(qiáng)化段,在鋼筋混凝土梁中,鋼筋主要提高梁的抗彎性能。由于鋼筋為延性材料,接觸模型無法直接采用平行黏結(jié)模型。平行黏結(jié)模型的荷載超過容許荷載后,黏結(jié)鍵立即斷裂,荷載消失,無法模擬鋼筋屈服階段和強(qiáng)化階段。
如圖2 所示,F(xiàn)n為法向荷載, δn為法向位移。本文參考MA 等[16-17]的思路對(duì)平行黏結(jié)模型進(jìn)行修改,添加了判斷語句,在彈性階段結(jié)束后修改接觸模型的黏結(jié)有效模量E*,得到平行-強(qiáng)化模型。強(qiáng)化階段的斜率取線彈性階段的0.01 倍[7]。當(dāng)荷載達(dá)到屈服點(diǎn)后鋼筋進(jìn)入強(qiáng)化階段,直到應(yīng)力超過極限強(qiáng)度,黏結(jié)鍵斷裂。
圖2 平行黏結(jié)模型和平行-強(qiáng)化黏結(jié)模型本構(gòu)Fig. 2 The constitutive of parallel bond model and parallelhardening bond model
本文鋼筋模擬采用均勻排列顆粒代表鋼筋。鋼筋顆粒單元數(shù)量的計(jì)算方法為:
式中:ns為鋼筋顆粒數(shù)量;ls為鋼筋的長(zhǎng)度;ds為鋼筋顆粒直徑; floor()為向下取整函數(shù)。
確定顆粒的數(shù)量、半徑和位置信息后,采用PFC 內(nèi)置的FISH 語言編程,按預(yù)先設(shè)定的位置循環(huán)生成鋼筋顆粒單元,如圖3 所示。
如圖3 所示,為鋼筋顆粒間生成的黏結(jié)鍵。細(xì)觀模型中鋼筋顆粒間的黏結(jié)有效模量與鋼筋彈性模量相同,法向與切向剛度比取1,得到鋼筋顆粒細(xì)觀參數(shù)見表1。
表1 細(xì)觀參數(shù)標(biāo)定值Table 1 The variable value of meso-parameter
圖3 鋼筋顆粒模擬示意圖Fig. 3 Steel bar simulated by particles element
在鋼筋的數(shù)值模擬時(shí)做出以下假定:
1) 鋼筋為均質(zhì)材料,力學(xué)特性為各向同性的,鋼筋顆粒單元間孔隙率為0;
2) 鋼筋單元模擬不考慮鋼筋泊松比的影響。
細(xì)觀參數(shù)的標(biāo)定過程[18-19],實(shí)質(zhì)上是掌握一定細(xì)觀參數(shù)對(duì)材料宏觀力學(xué)性能影響后反復(fù)試驗(yàn)進(jìn)行輕微的調(diào)整,使得數(shù)值模擬的應(yīng)力-應(yīng)變曲線逼近物理試驗(yàn)所測(cè)得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線[20-21]。
在本文中考慮混凝土材料為砂漿、粗骨料及界面過渡區(qū)(ITZ)的三相復(fù)合材料。采用剛性的顆粒單元代表混凝土中的粗骨料,不考慮粗骨料的破碎[22]。混凝土材料離散元模型的接觸關(guān)系共有3 種:“砂漿-砂漿”顆粒的接觸、“砂漿-骨料”顆粒的接觸(ITZ)、“骨料-骨料”顆粒的接觸。根據(jù)GU 等[23]的建議取ITZ 的抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度為砂漿材料強(qiáng)度的1/2,根據(jù)JEBLI 等[24]的建議ITZ 的彈性模量取1/3 的砂漿材料的彈性模量。因此,ITZ 的強(qiáng)度和彈性模量可通過砂漿材料細(xì)觀參數(shù)的比例獲取。因?yàn)轭w粒單元的最小半徑的限制,砂漿顆粒無法完全包裹粗骨料顆粒,所以產(chǎn)生了骨料與骨料之間直接接觸的現(xiàn)象。由于“骨料-骨料”的接觸較少且實(shí)際工程中砂漿完全包裹骨料顆粒,因此考慮“骨料-骨料”之間接觸的細(xì)觀參數(shù)與ITZ 的相同。
參考文獻(xiàn)[27]中R8-1.42-400 試件縱向鋼筋采用HRB400 級(jí)鋼筋,鋼筋總截面積As=386.42 mm2,屈服強(qiáng)度fsy=440 MPa , 極限強(qiáng)度fsu=590 MPa。對(duì)建立的鋼筋模型進(jìn)行軸向拉伸模擬,得到鋼筋的荷載-伸長(zhǎng)率的關(guān)系如圖4 所示。
由圖4 可知,當(dāng)荷載為 1 70 kN(應(yīng)力為440 MPa)時(shí),鋼筋進(jìn)入強(qiáng)化階段,此時(shí)的伸長(zhǎng)率為0.22%;當(dāng)荷載為 228 kN(應(yīng)力為590 MPa)時(shí),鋼筋斷裂,此時(shí)的伸長(zhǎng)率為7.8%,符合規(guī)范要求[28]。
圖4 鋼筋數(shù)值模型軸向拉伸的荷載-伸長(zhǎng)率曲線Fig. 4 The load-elongation curve of the steel bar model of uniaxial tension
2.3.1 混凝土棱柱細(xì)觀數(shù)值模型
式中:Pk為全部骨料體積占混凝土總體積的百分比,本文中粗骨料(粒徑5 mm 以上)體積占混凝土總體積45%;D0為計(jì)算粒徑;Dmax為最大粒徑。
獲得骨料的體積分?jǐn)?shù)后,首先通過FISH 語言在Wall 單元形成的棱柱容器中按級(jí)配生成全部的粗骨料和砂漿顆粒,此時(shí),所有顆粒大量重疊。其次,對(duì)所有顆粒間賦予線性接觸模型進(jìn)行顆粒的分散和平衡,根據(jù)顆粒間的不平衡力判斷顆粒分散均勻程度,如圖5(b)所示為平衡后的模型;最后,遍歷所有顆粒間的接觸,判別顆粒之間接觸關(guān)系并賦予“砂漿-砂漿”、“骨料-骨料”和“砂漿-骨料(ITZ)”相應(yīng)的細(xì)觀參數(shù)(見表1)得到黏結(jié)模型。賦予平行黏結(jié)接觸后獲得黏結(jié)模型,如圖5(c)所示。最終,共生成顆粒單元5129 個(gè),包括:砂漿顆粒和粗骨料顆粒;平行黏結(jié)鍵12019 個(gè),包括:砂漿-砂漿顆粒之間的接觸,粗骨料-粗骨料顆粒之間的接觸,粗骨料-砂漿顆粒之間的接觸,即ITZ。
圖5 棱柱體細(xì)觀數(shù)值模型 /mmFig. 5 Meso-numerical model of prism
2.3.2 混凝土棱柱壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線
利用內(nèi)置FISH 函數(shù)監(jiān)測(cè)離散元數(shù)值模擬的混凝棱柱體單軸壓縮模擬的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,同時(shí)對(duì)比規(guī)范[28]中推薦的混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線(如圖6所示)。
由圖6 分析可知,基于離散元模擬計(jì)算的混凝土棱柱體單軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線關(guān)系,基本符合規(guī)范推薦的混凝土應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系曲線。數(shù)值模擬峰值強(qiáng)度為25.5 MPa,相比文獻(xiàn)[27]中棱柱體抗壓強(qiáng)的度24.83 MPa,誤差為2.7%。模擬獲得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在上升段及峰值強(qiáng)度與規(guī)范中的結(jié)果較吻合。但是離散元模擬結(jié)果的下降段與規(guī)范有一定的誤差,離散元模擬的下降段下降較快,主要由于模擬中圓形顆粒無法模擬真實(shí)骨料中“自鎖”現(xiàn)象[15]。文獻(xiàn)[30]中也指出,混凝土的下降段受多種因素的影響,結(jié)果相差較大。
圖6 混凝土單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)比Fig. 6 The stress-strain curve of concrete uniaxial compression simulation
2.3.3 混凝土棱柱破壞形態(tài)對(duì)比
為了研究微裂縫產(chǎn)生、擴(kuò)展及貫通的全過程,通過離散裂隙網(wǎng)絡(luò)(DFN)功能對(duì)微裂縫進(jìn)行監(jiān)控和顯示。通過Fracture 函數(shù)監(jiān)測(cè)黏結(jié)鍵的斷裂事件,當(dāng)顆粒之間的黏結(jié)鍵斷裂時(shí),在兩顆粒的接觸點(diǎn),以顆粒直徑為DFN 的長(zhǎng)度,顆粒圓心連接線的垂線方向生成DFN,即細(xì)觀微裂紋(如圖7所示)。隨著加載過程,微裂縫的數(shù)量不斷累積,微裂紋之間相互聯(lián)結(jié),直至形成貫通的宏觀裂紋。微裂紋的顯示有助于直觀的分析混凝土的破壞機(jī)理?;炷翗?biāo)準(zhǔn)棱柱的裂紋擴(kuò)展過程如圖7(a)~圖7(d)所示。
由圖7 可知,當(dāng)加載應(yīng)變 ε=0.001時(shí),22 個(gè)微裂縫生成,混凝土棱柱試件還在彈性階段,應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈線性變化;當(dāng)應(yīng)變 ε=0.002時(shí),產(chǎn)生720 個(gè)微裂紋,主要分布在加載墻附近及骨料與砂漿的界面過渡區(qū);當(dāng)應(yīng)變 ε=0.003時(shí),棱柱體內(nèi)部微裂縫開始形成并聯(lián)結(jié)為宏觀的裂縫;當(dāng)應(yīng)變 ε=0.004時(shí),大量微裂縫聯(lián)結(jié)、合并形成宏觀裂縫,且主裂紋與水平線的夾角約為 60°,試件呈斜剪破壞形態(tài)。這種破壞過程與文獻(xiàn)[30]中的混凝土的破壞過程相一致,且破壞形態(tài)吻合,證明了建立的混凝土離散元數(shù)值模型是正確的。
圖7 混凝土棱柱體壓縮試驗(yàn)裂縫發(fā)展過程Fig. 7 The complete process of crack propagation in concreteprism compression test
參考文獻(xiàn)[27]中R8-1.42-400 試件,鋼筋混凝土試驗(yàn)梁的跨徑為 1200 mm;梁的橫截面采用矩形截面,截面尺寸為b×h=125 mm×250 mm,鋼筋為2 14 和1 10,保護(hù)層厚度為 32 mm,試驗(yàn)梁的加載布置如圖8 所示。
圖8 鋼筋混凝土梁彎曲試驗(yàn)加載布置 /mmFig. 8 Loading scheme of RC beam bending test
針對(duì)工程中常見的鋼筋混凝土梁下側(cè)開裂的現(xiàn)象,本文通過對(duì)鋼筋混凝土梁模型設(shè)置預(yù)制缺口進(jìn)行研究鋼筋混凝土梁下側(cè)開裂后的裂縫擴(kuò)展規(guī)律和極限承載力變化。根據(jù)預(yù)制缺口位置及角度的不同,共分為9 個(gè)試驗(yàn)工況,如圖9 所示。
這9 種工況也與工程中常見的裂縫分布類似。各工況詳細(xì)見表2。
表2 缺口鋼筋混凝土梁試驗(yàn)工況匯總Table 2 Test conditions of pre-notched RC beam
鋼筋混凝土梁的離散元數(shù)值模型生成過程主要有如下步驟:
1) 定義計(jì)算域范圍(取導(dǎo)入墻長(zhǎng)、高的2 倍),并通過.dxf 文件導(dǎo)入墻單元。
2) 確定鋼筋的位置,在相應(yīng)的位置循環(huán)生成均勻排列的顆粒并施加臨時(shí)固結(jié)約束。
3) 在墻單元形成的封閉容器內(nèi)填充顆粒。因?yàn)殇摻钤谀P椭凶钕壬汕椅恢帽3植蛔?,因此,填充混凝土顆粒時(shí)需要對(duì)上半部分及下半部分分別進(jìn)行填充,否則無法保證顆粒分布均勻。其次,為保證生成模型孔隙率,需要根據(jù)式(7)和式(8)對(duì)混凝土孔隙率進(jìn)行一定的折減,以抵消鋼筋顆粒所占的體積。并暫時(shí)賦予混凝土顆粒間線性接觸模型進(jìn)行顆粒的分散和模型的平衡。數(shù)值模型中混凝土的分步填充方法如圖10 所示。
圖10 混凝土顆粒分步填充方法示意圖Fig. 10 Step-by-step filling method of concrete balls
4) 取消對(duì)鋼筋單元的臨時(shí)約束,分別賦予混凝土顆粒之間、鋼筋顆粒之間和鋼筋顆粒與混凝土顆粒之間平行黏結(jié)模型、平行-強(qiáng)化黏結(jié)模型和平行黏結(jié)模型。同時(shí),清除由于顆粒剛度改變引起的內(nèi)部不平衡力。
5) 生成加載板、墊塊及支座。加載板采用長(zhǎng)度均為 500 mm的rblock 多邊形剛性單元,支座和墊塊采用長(zhǎng)度為 50 mm的rblock 多邊形剛性單元,賦予加載板與墊塊之間、墊塊與主梁之間及支座與主梁之間線性接觸模型,彈性模量設(shè)置為混凝土的10 倍。
6) 利用FISH 語言編程設(shè)置需要記錄的參數(shù),主要包括:跨中位置位移、加載板的接觸反力、支座接觸反力、標(biāo)記微裂紋的位置、監(jiān)測(cè)微裂紋的數(shù)量等。
通過上述步驟,生成無缺口梁數(shù)值模型共有54 982 個(gè)顆粒、148 896 個(gè)黏結(jié)鍵,如圖11 所示。無缺口鋼筋混凝土梁的顆粒組成采用分組方式顯示,將所有顆粒標(biāo)記為3 組,分別為砂漿基質(zhì)、粗骨料和鋼筋。
圖11 無缺口鋼筋混凝土梁數(shù)值模型Fig. 11 Numerical model of unnotched RC beam
鋼筋與混凝土之間的作用較為復(fù)雜,通常簡(jiǎn)化為3 個(gè)力:一是,鋼筋與混凝土之間的膠結(jié)力,本文中通過賦予“鋼筋-混凝土”顆粒之間平行黏結(jié)模型,黏結(jié)強(qiáng)度考慮與“砂漿-砂漿”顆粒之間黏結(jié)鍵的黏結(jié)強(qiáng)度相同,采用同一套細(xì)觀參數(shù)(見表1);二是,鋼筋橫肋與混凝土之間的機(jī)械咬合力,本文中對(duì)這部分作用力通過混凝土砂漿顆粒嵌入來考慮機(jī)械咬合力,鋼筋顆粒水平向的位移受到混凝土的約束;三是,混凝土收縮握裹鋼筋而產(chǎn)生的摩阻力,對(duì)于帶肋鋼筋而言,機(jī)械咬合力起主要作用。因此,本文對(duì)混凝土收縮的影響暫時(shí)未考慮。
含預(yù)制缺口的鋼筋混凝土梁數(shù)值模型的建立無需重新進(jìn)行,僅需在預(yù)制缺口位置刪除混凝土顆粒。這樣建立的模型可以保證其余位置的顆粒位置和黏結(jié)鍵分布相同,避免因重新建模而引起的混凝土骨料分布不同而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的離散性大。比如,工況1-1 的梁模型如圖12 所示。
圖12 預(yù)制缺口鋼筋混凝土梁數(shù)值模型Fig. 12 Numerical model of pre-notched RC beam
對(duì)建立好的鋼筋混凝土梁進(jìn)行加載模擬,加載板約束水平向位移而放開轉(zhuǎn)動(dòng)約束,其目的在于平衡兩側(cè)墊塊的接觸力反力,相當(dāng)于分配梁的作用。支座約束豎向位移而放開轉(zhuǎn)動(dòng)。數(shù)值模型加載通過施加均勻的速度進(jìn)行加載,加載速度v=4 mm/s已經(jīng)可以達(dá)到擬靜力的結(jié)果[31]。通過FISH 語言編程監(jiān)測(cè)加載板的接觸反力作為加載的荷載值,并通過監(jiān)測(cè)加載過程中支座和梁中心位置顆粒的豎向位移,計(jì)算得到鋼筋混凝土梁的跨中撓度。另外,通過DFN 功能標(biāo)記微裂紋產(chǎn)生的位置,同時(shí),利用FISH 語言編程記錄各個(gè)階段的荷載和位移的變化。導(dǎo)出跨中位移為3.0 mm~13.8 mm過程中無缺口鋼筋混凝土梁裂縫發(fā)展情況。
由圖13(a)可知,當(dāng)跨中位移到3.0 mm 時(shí),跨中附近混凝土保護(hù)層出現(xiàn)裂紋,首先產(chǎn)生于骨料與砂漿之間的界面過渡區(qū)。當(dāng)跨中位移到4.8 mm時(shí)(圖13(b)),微裂縫明顯增多,跨中位置和墊塊附近混凝土保護(hù)層開裂,跨中位置和左側(cè)墊塊附近的混凝土主梁內(nèi)部產(chǎn)生兩條向上擴(kuò)展的裂縫。同時(shí),左側(cè)墊塊位置處的混凝土出現(xiàn)了少量的壓碎。當(dāng)跨中位移為4.8 mm~8.4 mm (圖13(b)~圖13(d))時(shí),隨著荷載的繼續(xù)增加,跨中位置出現(xiàn)了3 條向上的主裂紋。鋼筋與混凝土的黏結(jié)界面也出現(xiàn)了部分的裂紋。當(dāng)跨中位移到10.2 mm (圖13(e)),跨中位置的豎向裂紋增多,左側(cè)加載墻附近出現(xiàn)了近似平行斜裂紋,同時(shí)左側(cè)斜裂縫的底部混凝土與鋼筋黏結(jié)界面之間的裂縫數(shù)量大幅增加。當(dāng)跨中位移到13.8 mm (圖13(g)),主梁破壞,左側(cè)墊塊附件的混凝土出現(xiàn)壓碎的現(xiàn)象,梁左側(cè)出現(xiàn)明顯的斜裂縫,且左側(cè)鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)界面出現(xiàn)了大量的微裂紋。試驗(yàn)梁跨中位置出現(xiàn)了豎向短裂縫,加載位置和支座位置的連線附近出現(xiàn)斜向的主裂縫[27,32-33]??梢钥闯?,采用離散元法模擬的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。但由于離散元法建立的二維數(shù)值模型保護(hù)層混凝土與上面的混凝土被鋼筋分隔開,無法實(shí)現(xiàn)主梁底部裂縫向上擴(kuò)展的過程。因此,數(shù)值模擬得到的純彎段的豎向短裂縫數(shù)量比試驗(yàn)結(jié)果要少。
圖13 無缺口鋼筋混凝土梁裂縫發(fā)展過程模擬Fig. 13 Crack propagation process of unnotched RC beam
通過FISH 語言編程對(duì)跨中的位移及加載板的接觸力進(jìn)行監(jiān)測(cè),繪制了無缺口鋼筋混凝土梁的荷載-位移曲線圖,如圖14 所示。
圖14 無缺口鋼筋混凝土梁荷載-位移曲線圖Fig. 14 The load-displacement curve of unnotched RC beam
如圖14 所示,當(dāng)加載速度為4 mm/s 時(shí),鋼筋混凝土梁四點(diǎn)彎曲數(shù)值模擬的峰值荷載約為184 kN,相比文獻(xiàn)[27]中試驗(yàn)的峰值荷載169 kN,誤差為8.9%。通過離散元數(shù)值模擬分析可以得到,鋼筋混凝土梁四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中當(dāng)荷載小于150 kN,荷載-位移曲線基本呈直線,鋼筋混凝土梁處于線彈性階段。當(dāng)荷載為150 kN~200 kN,荷載-位移曲線的斜率逐漸減小,主梁從線彈性階段向屈服階段過渡。隨荷載的增加,主梁下緣混凝土出現(xiàn)較多的裂縫,主梁下緣拉力完全由鋼筋承擔(dān)。
根據(jù)建立的無缺口鋼筋混凝土梁模型,刪除預(yù)制缺口所在位置的混凝土顆粒,構(gòu)造出3 種缺口位置,3 種缺口傾角,共計(jì)9 種工況的預(yù)制缺口鋼筋混凝土梁數(shù)值模型,詳細(xì)缺口位置及傾角見表2。計(jì)算得出9 種工況下預(yù)制缺口的鋼筋混凝土梁的破壞形態(tài),如圖15 所示。
如圖15 所示,橫向排列為改變預(yù)制缺口的位置,豎向排列為改變預(yù)制缺口的角度。整體來看,無論改變?nèi)笨诘奈恢眠€是改變?nèi)笨趦A角,跨中位置通常都會(huì)產(chǎn)生多條豎向短裂紋。由于無腹筋梁的抗剪性能較差,邊跨位置產(chǎn)生與加載位置和支座位置連線的平行斜向貫穿的主裂縫。
圖15 各工況下預(yù)制缺口鋼筋混凝土梁破壞形態(tài)Fig. 15 Failure modes of pre-notched RC beams under various test conditions
從橫向排列來看,對(duì)比工況1-1、工況1-2 和工況1-3,缺口位置分布距跨中0 cm、8 cm 和16 cm,缺口傾角都為90°,由圖15(a)~圖15(c)可知,宏觀裂紋首先產(chǎn)生于鋼筋混凝土梁缺口位置頂端,并且繼續(xù)呈現(xiàn)出向上擴(kuò)展的趨勢(shì)。隨著荷載的增加,墊塊附近的混凝土受壓產(chǎn)生壓裂縫。當(dāng)荷載增加到極限荷載,邊跨的彎剪段開始產(chǎn)生接近平行的斜向的裂縫。斜向裂縫擴(kuò)展、聯(lián)結(jié)直至貫通最終形成主裂縫,試件發(fā)生破壞。這三種工況都表現(xiàn)出墊塊附近的梁頂部混凝土壓碎,這與試驗(yàn)結(jié)果也是相一致的。
從豎向排列來看,見圖15(a)、圖15(d)、圖15(g),對(duì)比工況1-1、工況2-1 和工況3-1,缺口位置都在跨中,缺口傾角分別為90°、120°、60°。裂縫的傾角只對(duì)裂縫擴(kuò)展的初期有一定影響,但隨荷載的增加,純彎段的裂縫很快會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)樨Q直向上擴(kuò)展。因此可以說明,缺口傾角對(duì)裂縫的發(fā)展方向及破壞形式影響較小。
綜上所述,缺口的傾角對(duì)裂縫的發(fā)展方向在加載前期有一定的影響,對(duì)破壞形態(tài)的影響較小。而缺口的位置對(duì)裂縫發(fā)展有較大的影響,裂縫的起點(diǎn)位于缺口的頂點(diǎn)處。同時(shí),粗骨料也會(huì)影響裂縫發(fā)展方向,這與王云飛等[34]和WANG 等[35]的結(jié)論是類似的。
預(yù)制缺口鋼筋混凝土梁的加載方式與無缺口鋼筋混凝土梁模擬相同。通過對(duì)9 種工況的預(yù)制缺口鋼筋混凝土梁采用固定的速度進(jìn)行加載模擬,記錄加載板的接觸力和跨中位置的豎向位移,繪制相應(yīng)的荷載-位移曲線圖,如圖16 所示。
為提高運(yùn)行效率,加載速度設(shè)為10 mm/s。由圖16 可知,各工況下荷載的變化趨勢(shì)基本相同,無缺口鋼筋混凝土梁的峰值荷載略大于預(yù)制缺口鋼筋混凝土梁的峰值荷載,預(yù)制缺口鋼筋混凝土梁極限承載力為無缺口鋼筋混凝土梁的95%~98%。因此可說明,預(yù)制缺口對(duì)鋼筋混凝土梁的極限承載力影響較小,同時(shí)也證明,鋼筋混凝土梁底部的鋼筋承擔(dān)了梁彎曲作用下主要的拉荷載。
圖16 各工況預(yù)制缺口鋼筋混凝土梁荷載-位移曲線圖Fig. 16 The load-displacement curve of pre-notched RC beams under various test conditions
通過離散元法進(jìn)行鋼筋混凝土梁四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)?zāi)M發(fā)現(xiàn),加載速度改變引起了荷載-位移曲線的變化,這一現(xiàn)象已在多個(gè)文獻(xiàn)中有所體現(xiàn)[14]。加載速度和顆粒相對(duì)位置的變化,通常會(huì)引起試件內(nèi)部顆粒間接觸狀態(tài)的改變和接觸力方向的改變,也是引起荷載-位移曲線波動(dòng)的重要原因。
對(duì)已建立的無缺口鋼筋混凝土模型,分別以4 mm/s、10 mm/s、20 mm/s 及35 mm/s 的速度進(jìn)行加載試驗(yàn)。加載速度與荷載-位移曲線的關(guān)系如圖17 所示。
圖17 不同加載速度下荷載-位移曲線Fig. 17 The load-displacement curve at different loading velocity
如圖17 可知,這4 種加載速度下荷載-位移曲線的整體趨勢(shì)是相同的,并且荷載峰值對(duì)應(yīng)的位移也基本相同。從曲線波動(dòng)情況看,隨著加載速度的增大,曲線波動(dòng)也越劇烈;從峰值荷載來看,隨著加載速度的增大,峰值荷載也增大,依次為184.0 kN、194.3 kN、208.8 kN、230.5 kN。說明,過大的加載速度易引起梁的振動(dòng),且峰值荷載也偏大。選擇加載速度為4 mm/s 和10 mm/s時(shí)的峰值荷載變化不大,都可以達(dá)到擬靜力的加載速度。
荷載-位移曲線波動(dòng)另一個(gè)原因是,顆粒間相對(duì)位置變動(dòng),導(dǎo)致黏結(jié)鍵的消失和形成之間的轉(zhuǎn)換,引起材料受力狀態(tài)的改變。圖18 中繪制了鋼筋混凝土梁局部區(qū)域內(nèi)顆粒間接觸狀態(tài)及接觸力方向隨時(shí)步變化規(guī)律。
圖18 選取了6 個(gè)代表顆粒,記錄了從加載5000 步~40 000 步過程中顆粒間接觸力的方向和大小的變化。圖中箭頭的方向和長(zhǎng)度分別代表接觸力的方向和大小。由圖18(a)、圖18(b)可看出,加載時(shí)步從5000 步~10 000 步過程中,1 號(hào)和2 號(hào)顆粒保持相互接觸,但是接觸力方向發(fā)生了變化;由圖18(b)、圖18(c)可看出,加載時(shí)步從10 000 步~15 000 步過程中,1 號(hào)和2 號(hào)顆粒相互分離,黏結(jié)鍵斷開,接觸力消失;由圖18(d))可看出,當(dāng)加載時(shí)步達(dá)到40 000 步時(shí),1 號(hào)與2 號(hào)顆粒再次接觸。因此可以得出,在整個(gè)加載過程中,顆粒之間的接觸力的大小、方向及接觸狀態(tài)是實(shí)時(shí)變化的,通常在加載過程中伴隨著顆粒之間的接觸狀態(tài)的多次轉(zhuǎn)變,最終導(dǎo)致荷載的波動(dòng)。
圖18 不同時(shí)步顆粒接觸狀態(tài)變化圖Fig. 18 Variation of particle contact state with time step
通過細(xì)觀參數(shù)的標(biāo)定,建立了合理的預(yù)制缺口鋼筋混凝土四點(diǎn)彎曲數(shù)值模型,并進(jìn)行了裂縫產(chǎn)生、擴(kuò)展和貫通的全過程模擬。監(jiān)測(cè)了四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的荷載-位移曲線,分析了缺口類型對(duì)鋼筋混凝土梁的極限承載力和破壞形態(tài)的影響。得出以下結(jié)論:
(1) 鋼筋混凝土梁加載過程中,微裂紋首先出現(xiàn)在骨料與砂漿的界面過渡區(qū)和鋼筋與混凝土的界面過渡區(qū)。粗骨料會(huì)影響裂縫的發(fā)展方向,使其沿著粗骨料的切線方向發(fā)展。
(2) 缺口的位置會(huì)影響鋼筋混凝土梁的起裂位置,裂縫首先出現(xiàn)在缺口位置并向上發(fā)展。缺口的傾角通常不會(huì)改變裂縫的發(fā)展方向,盡管對(duì)裂紋擴(kuò)展初期有一定影響,但后期裂縫依然會(huì)沿豎向發(fā)展。
(3) 缺口對(duì)鋼筋混凝土梁極限承載力影響較小,缺口鋼筋混凝土極限承載力為無缺口鋼筋混凝土梁的95%~98%。
(4) 鋼筋混凝土梁四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)加載速度越大,荷載峰值越大,荷載-位移曲線的波動(dòng)也越劇烈。顆粒間相對(duì)位置的改變引起接觸狀態(tài)的轉(zhuǎn)換,從而導(dǎo)致了材料受力狀態(tài)的改變,也會(huì)導(dǎo)致荷載-位移曲線的波動(dòng)。