多点荷载作用下钢筋混凝土梁受力特性及损伤演化规律研究

谢玮玥

摘  要：钢筋混凝土结构因其具有较好受拉和抗压性能，在各种建筑领域中被广泛使用。钢筋混凝土结构作为现代建筑工程中广泛采用的一种关键结构形式，其在服役期间的损伤特性一直是工程领域关注的重点。该文利用ABAQUS有限元数值软件，建立多点荷载作用下钢筋混凝土梁的数值仿真计算模型，对钢筋混凝土梁的多点荷载作用下受力特性及损伤演化规律开展研究。研究发现，钢筋混凝土梁在竖向位移荷载作用过程中，拉应力集中于梁下部，压应力区在梁上部；随外部荷载持续作用，纵向受力钢筋上形成的应力会传递至环向的箍筋上；钢筋混凝土梁在纯弯段受压区处，混凝土的应变大于材料的最大压缩应变，导致受压区内的混凝土出现损伤破坏；在钢筋混凝土梁受力过程中，混凝土的强度等级和受拉钢筋的强度等级对梁体的整体强度有决定性作用。

关键词：钢筋混凝土梁；多点加载；受力特性；损伤演化；数值仿真

中图分类号：TU528.571      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）05-0077-04

Abstract： The reinforced concrete structure has a good tensile and compression performance， so it has been widely applied in all kinds of construction fields. As one of the most important structures in modern construction projects， the damage properties of RC structures have always been concerned about in engineering field. In this paper， a numerical simulation model of RC beam under multi-point load is developed using ABAQUS FEM software. The results show that in the course of vertical displacement， the tension stress is concentrated at the bottom of the beam， while the compressive stress is located at the top of the beam; with the continuous action of external load， the stress formed on the longitudinal steel bar will be transferred to the circumferential stirrups; in the compression zone of the pure bending section of the reinforced concrete beam， the strain of the concrete is greater than the maximum compressive strain of the material， which leads to the damage and failure of the concrete in the compression area. In the stress process of reinforced concrete beam， the strength grade of concrete and the strength grade of tensile steel bar play a decisive role in the overall strength of the beam.

Keywords： reinforced concrete beam; multi-point loading; stress characteristics; damage evolution; numerical simulation

目前，我国建筑行业正在朝着“节能减排、低碳环保”的方向发展，而随着现代钢筋混凝土建筑朝着大跨、超高层的方向发展，更多的项目对其材料的需求也随之提高。在现代建设中，钢筋混凝土结构作为一种重要的结构型式得到了广泛应用[1-2]。钢筋混凝土梁作为承载和传递荷载的关键构件，扮演着极其重要的角色。随着建筑行业的发展和设计要求的提高，对于钢筋混凝土梁的受力特性及其损伤演化规律的研究变得愈发迫切。正确认识钢筋混凝土梁的力学性能是保证其安全可靠运行的关键。钢筋混凝土梁的受力性能與其承载能力、变形性能、刚度等有关，与钢筋混凝土梁的设计、施工、使用维护等密切相关。通过对普通荷载作用下梁体受力机理的深入研究，可为结构设计提供理论基础与设计依据，从而保证梁体的安全性与可靠性，提升建筑的整体性能[3-5]。

钢筋混凝土结构在服役时，将受到多种工作载荷及环境载荷的影响，从而引起结构的破坏与损伤。对其损伤演变过程的深入了解，有助于深入认识其在各种载荷下的变形与失效机制，为其进行安全评价与维护奠定理论基础[6-7]。本文研究成果将有助于揭示梁的破坏机理，并为梁的性能修复、增强与加固等工程应用奠定理论基础。

对钢筋混凝土构件的力学性能和破坏机理进行了较为深入的研究。在此基础上，结合实验研究，揭示其力学机制及变形规律，建立能反映其破坏发展过程的数学模型。本文的研究将为钢筋混凝土梁的设计、施工与养护等方面的工作奠定基础，对保障钢筋混凝土梁的安全与可持续发展具有重要意义。

1  模型建立

本文以ABAQUS軟件中内置存在的C3D8R单元作为钢筋的双线性模型。采用C4D单元作为混凝土的三线性模型[8-10]。在C3D8R中，钢筋之间的连接采用刚性连接。

在建立模型过程中，要注意以下几点：①要确定钢筋与混凝土之间的接触面类型和接触面上的接触属性。对于接触属性，可以使用2个或2个以上的接触面来定义。②为了确定模型中的混凝土损伤状态，要分别定义混凝土和钢筋的损伤因子。③为使模型中的钢筋和混凝土可以共同工作，需要对钢筋进行强化。

1.1  模型及材料参数

数值计算中，梁三维尺寸为长×宽×高=3 000 mm×200 mm×240 mm，在支撑和荷载作用下，以 TIE为基础，通过TIE技术将垫片与梁相结合，垫片位于梁的两侧，厚10 cm，宽240 cm，对其向下增设10 cm的位移，使其向下移动。梁的内部钢筋布置形式为3层，上层受压区2根钢筋为Φ12 mm，中间和底部区域为受拉区，均设置3根钢筋，钢筋的型号分别为Φ16 mm。另外就是箍筋的间隔距离和防护层分别为100 cm和30 cm，如图1—图3所示。

钢筋和混凝土是工程中最常用的材料，在 ABAQUS中，可以通过定义材料属性来设置钢筋和混凝土的相关属性。对于钢筋，可以根据使用规范确定钢筋的屈服强度，并根据钢筋的特性确定其本构关系，一般情况下采用线性本构关系。对于混凝土，一般采用线弹性模型，即在宏观上只考虑弹性阶段。ABAQUS中也有一些参数是可以调整的，可以根据需要进行修改。比如可以通过定义钢筋和混凝土之间的接触关系来调整相互作用，并设置相应的接触属性，定义材料属性可以通过在单元上定义材料属性来实现。通过定义材料属性，可以实现不同材料之间的组合和替换。设置好之后可以进行验证计算和后处理分析。本文中混凝土采用C30混凝土，钢筋采用HRB600。数值建模的参数见表1。

1.2  外荷载加载方式

与反复加载的悬臂结构形式相比，这类结构形式主要受到上部载荷作用，因此在施加载荷时将荷载的施加方向由上向下施加。为了方便计算，将荷载级别作为研究变量，加载级别划分为3级，设置的初始加载位移量为5 mm。

2  数值计算结果及分析

2.1  钢筋受力特征分析

钢筋混凝土梁中钢筋的数值仿真结果云图如图4所示。由于在钢筋混凝土梁上施加的集中荷载是处于对称状态的，因此其应力分布基本呈现对称状态。在竖向位移荷载作用过程中，拉应力的分布基本上集中于下部区域，而上部区域的钢筋基本上呈现受压状态。随外部荷载向下的持续性作用，上部区域的钢筋在受压过程中将形成压缩变形，而下部区域的钢筋呈现出拉伸变形状态，最终在钢筋上形成的应力将进一步传递至环向的箍筋上。

由数值仿真结果可知，在对称荷载的作用下使得钢筋混凝土梁的中部区域将形成应力集中区。因此，该应力集中受压区混凝土的强度是梁稳定性控制的关键，而应力集中受拉区钢筋的抗拉强度是梁受拉破坏的关键控制点。因此，混凝土和钢筋的强度是维系钢筋混凝土梁安全性、耐久性的重要影响参数。在实际工程建设过程中，必须保证混凝土强度等级达到要求，同时应按照工程施工要求确保受拉一侧钢筋的保护层厚度和质量达标。

2.2  梁损伤特征分析

在钢筋混凝土梁的局部部位，由于自身的物理力学性质无法抵御外荷载所引起的变形，进而导致钢筋混凝土梁的部分区域丧失了服役能力，进而导致其整体受力性能迅速降低。为了进一步研究钢筋混凝土梁的损伤破坏情况，可以使用压缩损伤、拉伸损伤对其整体损伤进行表征，如果表征因子的数值越大，表明钢筋混凝土梁受到的损伤破坏越严重，就进一步反映出实际工程中更有可能出现损伤破坏裂纹。钢筋混凝土梁的损伤计算云图如图5所示。

钢筋混凝土梁发生损伤破坏前，各纵筋都已屈服，但在荷载作用下，梁受力后其挠度发生了明显的变化。本文通过对钢筋混凝土梁开展有限元数值模拟，对其总体损伤破坏形式进行了分析，发现在加载过程中，在纯弯段的受压区内，混凝土在加载过程中已经发生了破坏。在偏转荷载下，试件产生了很大的弯曲变形。在纯弯段受压区处，混凝土的应变大于材料的最大压缩应变，导致受压区内的混凝土出现了破碎现象。

2.3  荷载-位移特征分析

本文采用有限元分析方法，分析了混凝土强度、拉筋强度、压筋强度等因素对钢筋混凝土梁受力特性的影响。钢筋混凝土梁中混凝土、受拉钢筋、受压钢筋随位移加载后的强度变化如图6所示。随位移加载的逐渐增加，混凝土、受拉钢筋、受压钢筋所受荷载均逐渐增大。由图6可知，混凝土所承受的荷载最大，其次是受拉钢筋，最小的是受压钢筋。在位移加载前期，荷载的变化速率较大，当位移加载到达一定阈值时，此时各部件所受荷载值基本不变，说明构建研究发生了屈服破坏，达到了各部件的峰值强度，钢筋混凝土已经步入到了塑性变形的极端，梁体的承载能力逐渐丧失。计算结果表明，在钢筋混凝土梁受力过程中，混凝土的强度等级和受拉钢筋的强度等级对梁体的整体强度有决定性作用。因此需对混凝土及钢筋材料质量和施工质量进行严格把关。

同时，在实际工程应用中，通常很难获得此类构件的受力变形特征，因此，与模型实验相比，采用数字仿真技术对结构进行受力变形研究更为便捷、直观。

3  结论

1）钢筋混凝土梁在竖向位移荷载作用过程中，拉应力集中于下部区域，上部区域的钢筋呈现受压状态；随外部荷载持续作用，最终在纵向受力钢筋上形成的应力进一步传递至环向的箍筋上。

2）钢筋混凝土梁在加载过程中，在偏转荷载下，试件产生了很大的弯曲变形；在纯弯段受压区处，混凝土的应变大于材料的最大压缩应变，导致受压区内的混凝土出现损伤破坏。

3）随位移加载的逐渐增加，混凝土、受拉钢筋、受压钢筋所受荷载均逐渐增大，混凝土所承受的荷载最大，其次是受拉钢筋，最小的是受压钢筋。计算结果表明，在钢筋混凝土梁受力过程中，混凝土的强度等级和受拉钢筋的强度等级对梁体的整体强度有决定性作用。

4）数值仿真技术的出现可以快速、便捷地反映出钢筋混凝土构件的受力特性，可轻松地获得一些在实验室中很难得到的参数，为钢筋混凝土构件的设计、建造提供技术支持。

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