吳雪紅　侯志成

關(guān)鍵詞：有限元分析 鋼纖維 T型 剪切破壞

中圖分類號：TU973.31 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1679-3567（2023）10-0037-03

隨著社會生產(chǎn)力及建筑技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對建筑環(huán)境的舒適性、安全性要求不斷提高，大量高層智能建筑不斷涌現(xiàn)。對于大型復(fù)雜建筑，樓層管線布置復(fù)雜，難免與結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞，帶來施工設(shè)計(jì)困難的問題。但是，目前的鋼筋混凝土開孔梁質(zhì)量很難保證，且孔洞附近鋼筋綁扎密集，影響施工。

采用鋼纖維混凝土可以較理想解決前文闡述的因?yàn)楦鞣N管道、設(shè)備管線等布置梁下，增大結(jié)構(gòu)高度而降低房屋凈高的問題，可以美化建筑環(huán)境，提高視覺觀感?？梢越档徒Y(jié)構(gòu)恒載，有利于結(jié)構(gòu)整體抗風(fēng)抗震，提高結(jié)構(gòu)使用年限。

1實(shí)驗(yàn)概況

1.1材料和試件設(shè)計(jì)

本研究中的普通混凝土（NC）和鋼纖維混凝土（SFRC）的配合比參考中國《纖維混凝土》（JGIT 472-2015）。粗骨料粒徑為15～25 mm，表觀密度為2780 kg/m³。SFRC中加入0.75%體積率的鋼纖維長度30 mm，直徑0.6 mm，長細(xì)比50，屈服強(qiáng)度1000～1300 MPa。主要鋼筋等級為600 MPa和400 MPa，根據(jù)鋼筋拉伸試驗(yàn)結(jié)果，相應(yīng)的屈服強(qiáng)度測量值分別為675 MPa和473 MPa，極限抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到861 MPa和572 MPa。

為了研究鋼纖維和600 MPa鋼筋在混凝土T梁中的作用，依據(jù)《鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJIT465-2019），設(shè)計(jì)并制作了兩根T梁。T梁的縱向鋼筋和箍筋直徑分別為14 mm和6 mm，箍筋間距為150 mm，梁的詳細(xì)鋼筋布置和幾何尺寸如圖1所示。兩根T梁符號分別為T6N和T6S，其中T代表T梁，4和6為400 MPa和600 MPa縱向鋼筋，N和S代表無鋼纖維和有鋼纖維。

圖1試驗(yàn)梁截面形式

1.2材料性能

采用最大承載能力為2 000 kN的UTM和三根矩形SFRC梁，分別按照GB/T 50080-2016對包括NC和SFRC在內(nèi)的12個混凝土立方體樣品進(jìn)行了測試。NC和SFRC的抗壓強(qiáng)度分別為58.5、59.2、53.2 MPa和60.8、62.9、57.6 MPa。在混凝土中加入鋼纖維后，抗壓強(qiáng)度增加了6.1%。另一方面，三根矩形梁的比例極限彎曲拉伸強(qiáng)度根據(jù)JGJ/T 465-2019進(jìn)行了測試和計(jì)算，分別為6.0、6.9和5.4 MPa。

2靜載試驗(yàn)結(jié)果與分析

表1清楚地顯示了兩個測試T梁極限承載力與跨中撓度。在混凝土中加入鋼纖維會增加T梁的承載能力和撓度，因?yàn)闆]有鋼纖維的T6N梁剪切破壞而無法繼續(xù)承載。但T6S鋼纖維T梁由于縱向鋼筋拉斷而彎曲破壞，完全符合設(shè)計(jì)預(yù)期。同時，T6S梁的施加荷載達(dá)到279.4 kN，比參考梁的189.1 kN增加了90.3 kN。

表1 試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對比

3數(shù)值分析

3.1試驗(yàn)梁數(shù)值模擬結(jié)果及分析

用ABAQUS模擬的兩根T梁中的加載過程。模擬結(jié)果表明：數(shù)值計(jì)算T梁的整體破壞趨勢基本與試驗(yàn)一致，包括混凝土應(yīng)力分布、撓度、混凝土極限強(qiáng)度位置和裂縫等。T6N無鋼纖維梁的跨中撓度很小，因?yàn)樵摿夯炷潦芗羝茐?。相比之下，鋼纖維T6S梁明顯彎曲，產(chǎn)生了較大的撓度，這在應(yīng)力云圖圖中可以清楚地看出。因此，通過模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖片的比較，T梁的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，如表1所示。

對T6N和T6S實(shí)驗(yàn)結(jié)果與ABAQUS中的有限元模擬結(jié)果進(jìn)行了比較。結(jié)果表明：有限元分析和實(shí)驗(yàn)之間的所有曲線大致遵循相同的趨勢，但有一些可接受的偏差?？傊邢拊治鲋械暮奢d和撓度曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好，無論有無鋼纖維，預(yù)測600 MPa鋼筋混凝土T梁的荷載和跨中撓度結(jié)果都是可靠的。

3.2開圓孔T梁數(shù)值模擬結(jié)果及分析

圖2 無鋼纖維混凝土T梁應(yīng)力云圖

圖3 有鋼纖維混凝土T梁應(yīng)力云圖

圖4 梁荷載-撓度曲線

調(diào)整好后的兩類T梁模型先后在剪壓區(qū)布置圓形孔洞后模擬破壞過程。如圖2和3所示，孔洞位置相同，均在第二和第三箍筋中間，圓心距離梁端220 mm，梁腹板底邊110 mm，圓形孔洞直徑為120 mm。圓形孔洞普通混凝土T梁力學(xué)性能削弱明顯。根據(jù)混凝土和鋼筋應(yīng)力應(yīng)變圖形可以判斷，兩個帶孔T梁都依然剪切破壞。然而，無鋼纖維圓孔T梁極限承載力和跨中撓度分別降低到158.9 kN和4.0 mm，比無孔T梁降低了34.2 kN和1.7 mm。如圖4所示，鋼纖維混凝土T梁因開孔后的力學(xué)性能削弱程度明顯比普通混凝土T梁小。根據(jù)鋼筋和混凝土應(yīng)力應(yīng)變圖及荷載跨中撓度曲線可以判斷，圓孔鋼纖維混凝土T梁仍然剪切破壞，而試驗(yàn)中無孔鋼纖維混凝土T梁則受彎破壞。同時，圓孔T梁極限承載力和跨中撓度分別降低到280.3 kN和27.7 mm，承載能力與無孔T梁降幾乎相同，而跨中撓度低24.1 mm。這種現(xiàn)象是因?yàn)殇摾w維明顯提高了混凝土T梁的抗剪承載力和跨中撓度。

通過兩組荷載位移曲線圖，可以明顯看出鋼纖維對鋼筋混凝土腹板開圓孔T梁的力學(xué)性能作用，對位于剪壓區(qū)的圓形孔洞的T梁，承載能力和跨中撓度增高顯著。因?yàn)榧尤脘摾w維后，混凝土抗剪強(qiáng)度提高，孔洞T梁可以承載更高彎矩，鋼筋和混凝土材料強(qiáng)度得到進(jìn)一步發(fā)揮。然而，根據(jù)有限元軟件計(jì)算結(jié)果，盡管鋼纖維提高了孔洞T梁的抗剪強(qiáng)度和跨中撓度，但孔洞T梁依然是剪切破壞，鋼筋和混凝土材料強(qiáng)度仍然沒有充分利用。在實(shí)際工程中根據(jù)承載需要，仍然有必要在孔洞周邊設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋。關(guān)于鋼筋混凝土開孔T梁力學(xué)性能討論，是根據(jù)有限元軟件模擬結(jié)果，需要進(jìn)一步開展實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論結(jié)果。

4結(jié)論

本研究通過加載兩個T梁，運(yùn)用ABAQUS6.14-1有限元軟件，模擬了兩個梁加載過程。通過調(diào)整材料參數(shù)，得到較可靠的數(shù)值模型，然后計(jì)算了開孔T梁的承載能力和撓度。因此，得出以下結(jié)論。

（1）在T梁中加入7.5%體積的鋼纖維，可以顯著提高T梁極限承載能力和撓度，使T梁的破壞模式由剪切破壞轉(zhuǎn)變?yōu)閺澢茐?。同時，T形梁上形成的裂紋的分布和寬度也變得更加均勻。

（2）用ABAQUS 6.14-1軟件對試驗(yàn)的T梁進(jìn)行了模擬，其關(guān)鍵數(shù)值偏差在3%～5%之間，可用于計(jì)算腹板開圓孔的T梁性能。

（3）根據(jù)有限元軟件的模擬結(jié)果，在T形鋼筋混凝土T梁上開圓孔會顯著降低梁的極限承載力，并改變梁的最終破壞模式。

（4）根據(jù)有限元軟件的計(jì)算結(jié)果，在有圓孔的鋼筋混凝土梁中加入鋼纖維可以顯著提高梁的極限承載力和跨中撓度，但不能達(dá)到無孔T梁的力學(xué)性能，仍然剪切破壞。