基于ABAQUS的单向循环荷载简支梁损伤分析_赵骅.pdf

年第 期水利规划与设计设计施工：.基于 的单向循环荷载简支梁损伤分析赵 骅，薛炀皓，任钰馨，邓彩杰（.贵州大学建筑与城市规划学院，贵州 贵阳；.贵州大学土木工程学院，贵州 贵阳；.贵州大学林学院，贵州 贵阳）摘要：为研究钢 混凝土组合结构在循环荷载下的力学特性及损伤演化规律，文章运用 数值分析软件，通过 损伤材料本构模型，开展单向循环荷载下钢 混凝土组合简支梁的力学特性及损伤演化研究。结果表明：钢筋混凝土简支梁在循环荷载作用下，梁体各位置钢筋应力集中程度不同，并进一步揭示了梁体随着循环荷载次数的增大而产生不同的损伤特征，为类似工程设计和施工提供参考及数据支撑。关键词：钢筋混凝土梁；循环荷载；损伤；数值分析中图分类号：文献标识码：文章编号：（）收稿日期：作者简介：赵 骅（年），男，硕士研究生。：.通讯作者：薛炀皓（年），男，硕士研究生。：.钢 混凝土组合结构具有建设成本低廉、易于实现建筑造型、耐久性优良及便于维护的优点，已广泛应用于工业与民用建筑、隧道、桥梁、水利等工程领域，该组合结构建筑施工特点表现为跨越能力良好、施工简单、工期短，对设备的要求显著降低，综合经济效益可观。但在一般情况下，设计人员进行钢 混凝土梁构建的设计时，主要考虑梁在弯矩、扭转和剪切等方面的工作性能，而对梁的循环受力损伤演化问题难以预先考量。因此，钢 混凝土梁的损伤演化问题构成了建筑使用期不可忽视的安全隐患。学者们针对该问题开展了大量的室内试验，通过试验能够获得较为真实、可行的相关参数及可靠的评价，但由于各类试验（例如原位试验、足尺试验及室内试验）对结构进行在内部力学行为分析及损伤描述方面存在诸多困难，故借助数值分析手段对结构受力全过程进行观察记录、克服试验研究的弊端，是目前较为高效和经济的研究手段。基于有限元计算原理，以其较强的非线性分析能力被广泛应用于钢 混凝土材料研究，该软件内置的（）模型是分析在循环加载和动态加载条件下混凝土结构的力学响应提供普适的材料模型。由于它描述材料拉压性能的同时能展现损伤引起的不可逆的材料退化，尤其在材料宏观属性的拉压屈服强度不同、拉伸屈服后材料表现为软化及压缩屈服后材料先硬化后软化、拉伸和压缩采用不同的损伤和刚度折减因子、在循环载荷下刚度可以部分的恢复等方面具有科学的理论推导，因此本文采用该模型揭示钢 混凝土组合结构受力特性和损伤演化规律。综上所述，本文采用有限元软件，基于 损伤材料模型，建立钢筋混凝土简支梁三维数值分析模型，分析受力传递规律和损伤规律，为钢筋混凝土组合梁的力学性能分析提供参考。模型简述 中的 模型基于弹塑性理论框架开发，并引入了损伤力学参数。屈服面函数硬化变量?和?分别表示压缩和拉伸等效塑性应变如图 所示，模型采用损伤因子描述混凝土材料由损伤引起的 刚 度 退 化 和 导 致 的 拉 压 屈 服 强 度改变。在单轴受压状态下，混凝土材料在达到初始屈服应力 后先硬化后软化，直至压碎破坏；在单轴受拉状态下，混凝土材料在拉伸屈服后表现为软化，直至开裂。其本构相关参数转化表达式为（受压非弹性应变?；拉裂应变?；压缩塑性应变?；拉伸塑性应变?）：设计施工水利规划与设计 年第 期图 混凝土塑性损伤模型单轴应力 应变曲线?（）（）式中，压应力；压应变；初始弹性模量；压缩损伤因子；弹性压应变。?（）（）式中，拉应力；拉应变；初始弹性模量；压缩损伤因子；弹性压应变。数值模拟分析 模型主要用于分析混凝土（或其他脆性材料）循环及动 静荷载分析，该模型在考虑了钢梁钢筋混凝土柱之间相互作用的基础上提出了节点竖向承载力验算公式和剪力计算公式，对梁类型的构件能够同时定义强化、软化行为，并可描述混凝土的开裂 压碎损伤（卸载刚度的折减），故对钢 混凝土梁具有较为真实的模拟效果。本文混凝土材料采用八结点六面体线性缩减积分单元。此外，由于钢 混凝土组合结构受力过程中，钢材料受力主要特征为拉压模式，故钢材料采用两结点线性三维桁架单元，集合界面为圆形。.结构基本参数数值计算采用简支梁的形式约束，梁截面为 的矩形，分别在支座处和施加载荷处各设置钢板作为垫块，垫块与梁采取 连接，垫块位置为梁两端向跨中 范围内，厚度为，宽度为，跨中加载 位移荷载，位移方向向下。梁截面钢筋采用 层排布，顶层受压区采用 支 钢筋，中层和底层分别为 支、钢筋，箍筋为间距 的 型号钢筋，保护层厚度为，如图 所示。图 结构尺寸由于钢筋与混凝土尺寸差异较大，故采用嵌入网格域（）算法进行钢筋 混凝土耦合，如图 所示。图 钢筋 混凝土耦合方式.材料参数混凝土材料采用 混凝土参数，钢筋采用弹塑性材料 钢筋参数，具体材料参数见表。.循环荷载参数不同于悬臂梁的循环加载方式，由于简支梁主要承受构建上方传递荷载，故位移荷载由初始位置向下方施加，并在单个机械时间内加载一个方向位移，加载顺序为先下后上。为便于分析，将每次 年第 期水利规划与设计设计施工循环定义为，其中 为荷载级别，为循环次数，、，。以不同位移加载量为 级，每级位移循环加载 次，设定 为初始加载量，见表：表 材料参数材料密度（）杨氏模量 泊松比 混凝土.钢筋.垫板.表 混凝土损伤参数膨胀角流动势偏移量 黏性系数.注：为双轴极限抗压强度与单轴受压极限强度之比；为拉伸子午面上与压缩子午面上的第二应力不变量之比表 时间位移参数序号位移.计算结果及分析采用最大主应力绝对值进行力学观测指标，该指标对金属等材料能描述较好的拉伸行为，描述准则如下：（），（）其中，分别为某节点的 个主应力。等式左边即为，（）应力（记为，单位为），为拉应力，为压应力。.钢筋受力特征施加向下的位移荷载时，应力集中区域主要分布于跨中下部拉筋、跨中附近的箍筋和梁顶部压筋（如图 所示）。由于施加位移的垫块位于跨中，使得垫块下方的箍筋应力值小于垫块两端。随着位移荷载的逐步增大，顶部压筋受压并产生弹性收缩变形，并通过变形将荷载传递至箍筋，在混凝土和箍筋的协同变形下，底部拉筋受拉产生应力集中；反之，当施加向上的位移荷载时，顶部压筋受拉而边长，底部拉筋受到拉应力产生收缩，拉筋与压筋的 种荷载状态表现出了“拉压互换”的现象。基于上述现象，循环荷载下跨中位置的钢筋应力状态最为剧烈，也是应力集中较为明显的部位，故而该处钢筋是关系梁整体安全性、耐久性的重要部位，施工中应尽量保证底层拉筋的保护层厚度、钢筋质量和约束作用，以避免施工中或投入使用后其他行为对该部位的损害，从而造成安全事故。图 钢筋应力分布（单位：）.梁体损伤特征梁体的局部位置无法抵抗外荷载带来的变形，从而造成梁体部分单元失去正常工作能力，并在循环荷载下逐渐之后该单元的受力性能逐步下降，材料力学性能损伤体现为渐进式。为分析钢 混凝土组合梁的损伤特性，采用压缩损伤因子、拉伸损伤因子 进行损伤程度的评价，其数值越大，表示损伤越严重，即（无损伤）（完全损伤），反映在实际试验中则为，数值越大，越可能造成裂缝，如图 所示：图 损伤分布图（）反映了各级位移及第一级荷载的 次设计施工水利规划与设计 年第 期循环特征。在第一级荷载的循环中，随着位移荷载次数的增加，梁体压缩损伤逐步积累，其分布特征为：由梁体下部和荷载作用处开始萌生，并随荷载的反复作用下逐步向梁体中部扩展；损伤分布几何形态基本不变，损伤特征表现为该形态下的损伤值不断增加；的损伤几何形态变化明显，表现为损伤分布区域不断扩展，而该区域内的损伤值积累到.左右便停止增加。图（）体现了拉伸损伤累积过程，并且相较于压缩损伤特征而言，拉伸损伤发展更为明显：在第一级荷载的第 次循环中，损伤分布区域内的损伤值量级基保持在.左右，损伤范围的几何形态主要分布在梁的下部，而在第 次循环后，梁体上部也出现大量的损伤；在第二级荷载开始施加时，梁体上部的损伤范围急剧增加，并在位移荷载反复作用下迅速与下部形成联通，最终形成“工”字形分布。根据上述现象可以得知，简支梁的压缩损伤与拉伸损伤差异明显。压缩损伤表现为渐进式，损伤面积和损伤值随着荷载的增加而增加，而拉伸损伤的损伤值从一开始就比较大，随后主要表现为损伤范围的增加。拉压损伤的相同点表现为损伤值的上限都在.范围内。.荷载 位移特征从荷载 位移曲线来看加载来看（如图 所示），每级加载时，位移荷载最大值基本发生在第 次循环，随后的 次循环所需的施加的力逐步递减，以第二级荷载为例，达到.位移的第、次循环荷载依次为（位移荷载向上为正，向下为负）：.、.、.。这是由于荷载第 次作用于梁体时，梁体先产生弹性变形，此时梁体由上部受压，下部受拉，当梁体变形积累到特定量级时，梁体进入塑性变形，部分单元丧失工作能力。图 位移 荷载图当进行第二级第 次循环位移时，位移荷载达到整个模拟试验的最大值 .，结合损伤特征（如图 所示）得知，第二级荷载对促进损伤发展最为明显，说明荷载促进了更多的单元参与工作的同时也使得部分单元失去一定的工作能力。此外，在后续的循环荷载中，位移荷载的大小基本保持在 左右，说明尽管损伤不断累积，梁体依然能保持一定的工作能力。在室内试验或原位测试中，这样的受力和变形特性往往难以获取，这就体现了数值模拟分析方法相较于模型试验的优势，即在分析结构受力、变形等方面具有的更高的便捷性、直观性。结论（）钢 混凝土简支梁在跨中单向循环荷载作用下，底部受拉钢筋及荷载两端的受剪部件应力集中程度最为明显，应重视该区域的施工、设计，提升施工安全性，降低安全隐患；（）随着位移荷载增大，混凝土简支梁的拉压损伤特征差异明显。压缩损伤特征变现为渐进式发展，而拉伸损伤特征变现比较剧烈，说明借助 材料模型能够对钢筋混凝土梁的裂纹扩展过程进行科学的预测，是较为实用描述结构内部材料损伤的预测手段；（）数模模拟分析能够直观反映钢 混凝土组合结构各材料的拉、压力学特性，便捷地观测到室内试验难以获取的材料动态力学行为及量化信息，故而合理运用改方法能为钢 混凝土组合结构的设计和施工提供建议及数据支撑。以上结论揭示了钢 混凝土简支梁体在单向循环荷载下的钢筋力学特征及混凝土损伤演化规律，为钢 混凝土组合结构的损伤行为提供了数据支撑。但数值计算中未考虑结构尺寸、边界耦合模式等影响因素，与实际工程的结合有待进一步提高。参考文献 ，（）：冯秋然，管乐，金建平，等 双工字钢 混凝土组合梁桥剪力滞效应分析 水利规划与设计，（）：薛炀皓，饶军应，梅世龙，等 隧道超前导管与超挖的相关性定量分析 水利规划与设计，（）：，年第 期水利规划与设计设计施工 ，（）：王晓盼 高强铝合金筋嵌入式加固钢筋混凝土梁受力性能研究 新疆大学，方彬，丁鑫，胡晓 半轻钢筋混凝土梁的受力分析 中原工学院学报，（）：王苏岩，张红涛，朱方芳，等 复杂环境及荷载共同作用下 加固高强钢筋混凝土梁受力性能试验 建筑科学与工程学报，（）：丁永静 非对称复合支撑梁式压电振动能量俘获装置的设计及实验研究 安徽理工大学，雷先华，吴义虎，朱石沙，等 悬臂梁式压电能量采集效率的理论与实验研究 传感器与微系统，（）：，周环宇 钢活性粉末混凝土（）组合梁界面受剪分析 湖南大学，廖皆文 中等跨径钢 混组合连续梁桥精细化分析及受力机理研究 南昌大学，曹学亮，李法雄 基于 的开孔板连接件抗剪承载力分析 公路交通科技，（）：谭莹，田启贤 板桁组合结构的受力特性及其空间分析方法 铁道建筑，（）：盛炜仲 型钢混凝土复合受扭构件受力性能试验和数值模拟 苏州科技大学 许新勇，李俊，李强，等 基于 本构的风力发电机基础损伤研究 可再生能源，（）：，（）：李清富，匡一航，郭威 模型参数计算及取值方法验证 郑州大学学报（工学版），（）：杨飞，董新勇，周沈华，等 混凝土塑性损伤因子计算方法及应用研究 四川建筑，（）：张田 典型混凝土模型在单调和循环荷载下数值模拟应用研究 昆明理工大学，（上接第 页）图 淤积破坏探讨解决措施。因此，加强盐渍土变化研究，探索应对措施，是今后水利工程健康运行研究的重点。参考文献 李计生，王静，李斌，等 河西走廊疏勒河灌区地下水特征现状分析 冰川冻土，（）：李平平，王晓丹，陈海龙 甘肃苏干湖湿地土壤盐渍化、地下水位埋深及其对生态环境的影响 矿产勘查，（）：璩继