基于ANSYS的再生混凝土梁抗裂性能有限元分析

宋 兵，姚 琳

(1.吉林化工学院 经理管理学院,吉林 吉林 132022；2.吉林市政府 投资建设项目管理中心,吉林 吉林 132000)

近年来，国内外学者对于再生混凝土的研究取得了丰硕的成果，再生混凝土不仅可以处理掉部分建筑垃圾，而且还可节约天然骨料，带来了显著的经济、环境和社会效益，但是再生混凝土因为自身存在的不足，如孔隙率高、吸水性大、强度低等，而在使用过程中受到限制.为弥补再生混凝土的不足，使再生混凝土构件在工程中得到更大地推广和应用，综合硅粉(SF)颗粒小、促进水泥水化、较强的火山灰活性等优点[1-2]，以及聚丙烯纤维(PPF)抗拉强度高、延性好、耐久性好等特点[3-6]，基于ANSYS对一定再生骨料取代率下的聚丙烯纤维硅粉再生混凝土梁的开裂荷载、极限荷载、跨中挠度等进行了有限元分析，得出了二者的建议掺量，为再生混凝土梁构件的进一步研究及推广提供了理论基础.

1 试验方案设计

经查阅相关文献表明，再生混凝土中硅粉(SF)的掺量为6%～8%，聚丙烯纤维(PPF)掺量不大于1.2 kg/m3，对混凝土性能提升显著[7-8].为此，试验控制水胶比为0.4，砂率为45%，硅粉掺量为0%和8%，聚丙烯纤维(PPF)掺量为0 kg/m3、0.6 kg/m3、0.9 kg/m3和1.2 kg/m3，再生粗骨料取代率为30%的5组混凝土，并设计5根跨度为1 500 mm，截面尺寸150 mm×250 mm的再生混凝土梁试件，其纵向受力筋直径为12 mm的HRB335热轧钢筋，架立筋和箍筋直径为8mm的HPB300热轧钢筋，各组混凝土试块的测试结果见表1.

表1 各组混凝土28 d的力学性能

2 有限元模型的建立

2.1 单元类型

混凝土采用SOLID65单元模拟，钢筋和箍筋均采用LINK8单元，为避免出现应力集中的问题，在试件的加载点下方和底部支座处设置150 mm×100 mm的刚性垫板，有限元模型如图1所示.

(a) 试件网格划分

(b) 钢筋单元图1 有限元模型

2.2 材料的本构关系

1.钢材的本构关系.钢材采用双线性随动强化模型(BKIN)，如图2(a)所示.

2.混凝土的本构关系.再生混凝土应力-应变关系上升段采用文献[7]提出的计算模型，下降段采用文献[9]提出的计算模型，如图2(b)所示.

(a) 钢材本构关系

(b) 混凝土本构关系图2 材料本构关系

3 ANSYS计算结果分析

3.1 开裂荷载和极限荷载

5组试件的开裂荷载和极限荷载如图3所示.在加载初期，试件SF0P0的开裂荷载为19.43 kN，而SF8P0的开裂荷载较前者的提高了6.3%，随着PPF的掺入，试件的开裂荷载显著增大，试件SF8P0.9的开裂值达到23.66 kN，比试件SF0P0提高了21.8%，比试件SF8P0提高了14.6%.随着荷载继续增加，试件进入屈服阶段直至破坏，当PPF掺率达到0.9 kg/m3时，试件的极限荷载达到峰值128.5 kN，比试件SF0P0提高了20.7%，比试件SF8P0提高了13.1%.

究其原因，一方面是SF的活性强，能够促进水泥颗粒的水化，使再生混凝土变得致密，优化了混凝土的强度指标.另一方面PPF掺入到再生混凝土试件中，纤维起到锚固的作用，拉结效应弥补了因接触面积增大而强度降低的损失，加强了构件内部的联系，增加了构件的抗拉和抗弯强度，提高了承载能力[7].但当PPF掺量达到1.2 kg/m3时，试件SF8P1.2的开裂荷载和极限荷载较SF8P0.9均有所降低，分析因为纤维掺量大，分散不均匀，与再生混凝土接触不好，使得再生混凝土的抗拉强度降低.

试件编号图3 各组试件的开裂荷载和极限荷载

3.2 等效屈服应力云图

选取2组试件的等效屈服应力云图，如图4、图5所示.在加载初期，试件SF0P0最大应力出现在试件的跨中区域；随着荷载的增大，最大应力出现在加载点处；当荷载继续增加到屈服阶段，最大压应力出现在试件梁跨中的上部受压区，这主要因为钢筋达到屈服点后，受压区混凝土的压应力迅速增长直至压碎.而试件SF8P0.9在加载初期至屈服阶段的应力云图与试件SF0P0的最大应力分布相似，但出现第一条裂缝的时间晚，且在钢筋屈服后，试件SF8P0.9因为纤维的掺入，抵抗拉应力的能力逐步提高，最大应力又出现在试件的跨中区域，荷载继续增大至破坏，试件的破坏时间得到延长.试件的破坏过程与文献[10]中的试验结果相吻合.

图4 SF0P0各阶段等效屈服应力云图

3.3 荷载-挠度曲线分析

5组试件的荷载-跨中挠度曲线如图6所示.可以看出，在加载初期，各组试件具有相同的荷载-挠度变化趋势，呈线性增长；在进入屈服阶段后，试件SF0P0有明显的拐点，跨中挠度增加迅速；而随着SF和PPF的掺入，曲线过渡平缓，没有明显折点.在荷载相同时，试件的挠度呈现显著差异，试件SF8P0.9和SF8P1.2抵抗变形的效果比较明显，且破坏挠度较其他试件明显增大.由此可见，SF的掺入，提高了再生混凝土的强度和整体刚度，PPF的掺入，使得梁的抗裂性能增强、延性提高.

4 结 论

基于ANSYS有限元软件模拟分析了不同硅粉和聚丙烯纤维掺量对再生混凝土梁开裂荷载、极限荷载及跨中挠度的影响.结果表明：

1.适量硅粉和聚丙烯纤维的掺入能提高再生混凝土梁的开裂荷载和极限荷载.当硅粉掺量为8%，聚丙烯纤维掺量为0.9 kg/m3时，试件的开裂荷载和极限荷载达到最大值，分别为23.66 kN和128.5 kN，较SF0P0均提高20%以上.

2.硅粉的掺入，提高了再生混凝土的强度和整体刚度，聚丙烯纤维的掺入，使得梁抵抗拉应力的能力提高，抗裂性能增强、延性提高.