钢筋混凝土损伤梁受弯性能的试验及仿真分析

任郅祺,黄 巍,夏登辉,刘庆涛,刘沅锟,孙 萌

(哈尔滨学院,黑龙江 哈尔滨 150040)

钢筋混凝土梁是桥梁中重要的结构构件,在受力过程中梁体内钢筋的受力状态、混凝土的变形和裂缝等是评价梁体损伤程度及桥梁是否安全稳定的重要评价参数。在既有桥梁中,由于长期受到荷载、温度、气候、材料老化等作用影响而产生的不同程度的损伤,这些损伤表现为梁体开裂、钢筋暴露锈蚀、结构受力变形过大等,进而降低梁体使用性能。为了分析梁体损伤程度对承载力的影响规律,对9片不同设计参数的钢筋混凝土梁进行了静载试验,获得了不同损伤程度、设计参数对梁体的抗弯承载力影响规律,给预估梁体寿命和桥梁安全提供参考。

目前评价旧桥实际承载力的方法有很多,如车辆静载试验可以检验桥梁在受力过程中的变形、裂缝等情况,能够准确分析桥梁安全性能,但存在操作复杂、封闭交通等问题,而目前较为常用的无损检测或局部损伤试验只能获得局部构件的材料状态,无法体现桥梁整体受力情况。为研究钢筋混凝土梁损伤程度对抗弯承载力的影响,依托黑龙江省地下工程重点实验室项目“有限元模拟损伤RC梁刚度确定方法的研究”(2019-3)、黑龙江省大学生创新创业项目“基于有限元的钢筋混凝土梁的仿真模拟”(202010234060),对损伤的钢筋混凝土梁进行静载试验,同时基于有限元理论,给钢筋混凝土梁损伤过程以及极限加载过程进行模拟,获得了损伤梁静载下极限抗弯承载力的数值分析结果后,对不同设计参数的损伤梁在各个荷载水平下的力学响应进行了系统分析,提出了钢筋混凝土损伤梁及静载试验的仿真模拟方法,给钢筋混凝土结构的优化设计、受损构件的数值模拟、损伤梁的承载力预估提供了参考。

1 试验概况

1.1 试验设计

设计9片矩形截面简支试验梁,试验梁长1 600 mm,截面尺寸b×h=150 mm×200 mm,计算跨径1 400 mm。混凝土强度等级为C30、C40、C50。箍筋采用HPB300(采用双肢箍筋方式),设计配箍率为0.45%,即强剪弱弯受力特点,以确保梁体最终呈受弯破坏,纵向受拉钢筋采用HRB400。混凝土、钢筋技术参数见表1、表2,各试验梁的情况见表3。

表1 混凝土技术参数表

表2 钢筋技术参数表

表3 试验梁汇总表

1.2 加载设计

试验梁的损伤及极限加载试验设计见图1。采取跨中逐级加载方式制造梁体的预裂损伤,损伤荷载设计为该梁极限荷载的60%、80%,在制造损伤阶段采用千斤顶手动单调分级加载,每级加载均间隔15 min,确保每级荷载不大于该梁开裂荷载的20%,待梁体开裂后,每级荷载不大于该梁计算极限荷载的10%。在接近计算开裂荷载的90%时,每级加载控制在极限荷载的5%以内,同时观测纵筋应变变化情况,获得准确的实际开裂荷载,预损伤的最后一级荷载持荷72 h后卸载,完成预损伤梁制作。然后进行损伤梁的破坏试验,在原加载点进行分级加载直至梁体破坏,每级荷载不大于该梁计算极限荷载的10%。在接近计算极限荷载的90%时,每级加载控制在极限荷载的5%以内,同时观测纵筋应变变化情况,获得准确的实际屈服荷载和极限荷载,实现损伤梁的极限受弯破坏[1-3]。

a-试验梁;b-滑动铰链;c-固定铰链;d-支墩;e-液压千斤顶;f-反力梁。图1 试验梁加载图(单位:mm)

当试验梁体内纵筋屈服,且梁体外出现以下现象时,表征梁体破坏。

(1)梁体主裂缝延伸至加载点附近,并在梁底贯通;

(2)受压区混凝土压碎;

(3)梁体出现多条短裂缝且混凝土压碎;

(4)裂缝宽度达到1.5 mm。

1.3 损伤梁破坏机理

以试验梁C1为例,损伤荷载为极限荷载的60%,开裂荷载为23.2 kN,在预裂损伤阶段梁受弯区侧面底部出现7条裂缝,最长裂缝长13 cm,宽0.13 mm,如图2所示,此时钢筋尚处于弹性阶段,混凝土局部开裂丧失抗拉强度,最深裂缝延梁体内部向上延伸至24 cm,预裂荷载卸载后各裂缝均恢复闭合状态,梁体整体处于弹性状态。在对损伤梁进行进行极限破坏过程中,荷载为42 kN时,梁体旧裂缝开始向上延伸,此时混凝土虽出现裂缝进展,但在箍筋作用和纵筋销栓作用下仍能发挥部分抗拉能力,纵筋承担主要抗拉作用;荷载为181.3 kN时,裂缝宽度达到1.31 mm,深度延伸至28 mm,在梁底形成贯通缝,此时纵筋达到屈服,挠度达到5.98 mm,混凝土加载钢垫板下混凝土出现压碎破坏,梁体呈现典型受弯破坏形态,如图3所示。

图2 试验梁C1预裂损伤图(单位:mm)

图3 试验梁C1极限破坏特征图

2 仿真分析

为模拟钢筋混凝土的损伤以及静载下破坏过程,基于试验梁设计参数,采用非线性有限单元法建立了钢筋混凝土梁的仿真模型,模拟试验梁损伤及静载试验过程,经对比试验梁的试验结果验证了仿真模型的有效性及数值分析的准确性。

2.1 有限元仿真试验设计

采用Ansys有限元软件对钢筋混凝土损伤梁静载试验进行仿真模拟和数值分析。仿真模型设计为:以纵筋配筋率、混凝土强度、损伤程度为变量参数,共设计了32个有限元计算模型,具体参数如表4所示。每组模型都单独改变某一影响因素参数,其他设计因素保持不变。几何模型采用整体式建模方法,先采用建立混凝土模型,然后对混凝土结构体中钢筋位置进行切割,切线为纵向钢筋和箍筋,然后对混凝土和钢筋赋予相应材料参数,混凝土采用solid65单元,钢筋采用link10单元。采用弹簧单模拟混凝土与钢筋之间的滑移。为防止应力集中,在加载点处设计混凝土矩形垫板,尺寸为b×l=100 mm×150 mm,选用solid45单元,采取区域拉伸法建立垫板模型。两支座处建立大小为b×l=100 mm×150 mm的垫块,建模方式与垫板一致。钢筋和混凝土单元网格划分尺寸均为5 mm,计算精度为0.035。模型加载分为3个荷载步,第1荷载步为预损伤加载,加载分级与试验分级相同,每级加载分50个子荷载步,50次迭代计算;第2荷载步为卸载,采取5级卸载模式分级卸载;第3荷载步为损伤梁极限加载,加载分级和子步数设计与第一荷载步相同[4]。

表4 有限元模型设计参数

2.2 混凝土损伤模拟

目前较为常用的混凝土裂缝模拟方法中,一种是提取混凝土单元的应力应变关系,计算单元损伤因子后修改混凝土强度参数,如弹性模量等,进而通过降低梁的整体混凝土强度来实现损伤,这种方法能够计算出梁体极限承载力,但缺点是无法在模型中体现裂缝位置和宽度,且计算结果与实际偏差较大。还有一种方法是采用Ansys软件中生死单元法模拟混凝土损伤,即在预裂阶段查找开裂损伤的混凝土单元并杀死该单元,使该单元应力应变关系中,矩阵贡献为0[5,6],然后再对该损伤梁进行极限加载计算,从而模拟损伤梁极限荷载试验过程,该方法对网格划分要求较高,如果网格尺寸过大,则会导致裂缝处生死单元尺寸过大,单元杀死后裂缝过大,与实际情况契合度低,如果选择微小尺寸单元计算,裂缝处生死单元处裂缝表现较好,全局自适应网格细化方法导致计算量过大,局部自适应网格方法和手动调整网格方法计算量小,但是需要事先预定裂缝位置,再对裂缝位置的单元网格进行划分。由于试验梁设计尺寸较小,划分小尺寸网格不会造成计算量过大,采取第二种方法模拟混凝土梁的开裂损伤,即建立模型后,选择全局自适应网格法划分网格,为了确保精度把网格尺寸设定为5 mm,然后对梁体逐级施加损伤设计荷载,达到既定损伤程度后,查找压碎的混凝土单元并杀死该单元,然后卸载,完成损伤阶段。随即再对损伤梁进行逐级加载,直至梁体达到极限破坏,获得此时的极限承载力。

2.3 有效性验证

以试验梁B2、B3、B4为对比梁,先建立对比梁的仿真模型,然后找出试验过程中梁体的裂缝位置,裂缝处几何参数(长度、宽度、坐标、走向等),将参数带入到仿真模型中,杀死裂缝处所在单元,完成损伤梁模拟,然后再进行极限加载荷载步计算,最终获得损伤梁的极限荷载。将仿真模型数值计算结果与试验结果对比,如表5所示,误差在7.14%～10.25%之间。

表5 试验屈服荷载、极限荷载与模型计算值对比表

3 试验及仿真结果分析

3.1 设计因素对承载力的影响

利用统计方法对试验结果数据和仿真模型计算数据进行了系统分析。

图4损伤程度为80%、设计6个不同纵筋配筋率、保持其他设计参数不变条件下,对损伤梁进行加载试验时梁体内箍筋应变与荷载之间的关系曲线。图4中显示,其他设计参数相同条件下,当纵筋配筋率由1.0%提高到1.2%、1.4%、1.6%、1.8%、2.3%时,50 kN荷载下箍筋应变值减小程度为35%、41%、47%、48%、53%,可见当梁体受到损伤时力学响应与未受损钢筋混凝土梁相似。图5损伤程度为60%、设计4个不同混凝土强度、保持其他设计参数不变条件下,对损伤梁进行加载试验时损伤梁体内箍筋应变与荷载之间的关系曲线。图5中显示,其他设计参数相同条件下,当混凝土强度由C30提高到C40、C50、C60时,60 kN荷载下箍筋应变值减小程度为10%、16%、21%。

图4 不同纵筋配筋率下损伤80%梁体内箍筋应变-荷载关系图

图5 不同混凝土强度下损伤80%梁体内箍筋应变-荷载关系图

3.2 损伤程度对承载力的影响

图6为纵筋配筋率1.0%条件下梁体损伤程度依次为60%、70%、80%、90%时,损伤程度与极限承载力之间的关系曲线。图6显示,损伤程度为原梁极限承载力的60%～70%的情况下,损伤梁的极限承载力为原梁的85%～90%之间,损伤程度为梁极限承载力的70%～90%的情况下,损伤梁的极限承载力为原梁的80%～85%之间。

图6 纵筋配筋率1.0%下损伤程度-极限承载力关系图

4 结 论

通过对钢筋混凝土损伤梁的极限承载力试验及仿真分析,得出以下结论。

(1)损伤程度对钢筋混凝土梁的极限承载力存在影响,损伤程度为原梁极限承载力的60%～70%,损伤梁的极限承载力为原梁的85%～90%之间,损伤程度为梁极限承载力的70%～90%,损伤梁的极限承载力为原梁的80%～85%之间。

(2)其他设计参数相同条件下,当纵筋配筋率由1.0%提高到1.2%、1.4%、1.6%、1.8%、2.3%时,50 kN荷载下损伤梁箍筋体内应变值减小程度为35%、41%、47%、48%、53%;当混凝土强度由C30提高到C40、C50、C60时,60 kN荷载下损伤梁体内箍筋应变值减小程度为10%、16%、21%。

(3)数值模型能够模拟钢筋混凝土梁的损伤和静载试验过程,计算结果误差在7.14%～10.25%之间。