高強(qiáng)鋼筋混凝土深梁受剪性能試驗(yàn)及數(shù)值模擬

郭揚(yáng)東,李樹山，張鋒劍，解 偉,師 政,，曹夫利,

(1.華北水利水電大學(xué) 土木與交通學(xué)院，河南 鄭州 450045；2.河南城建學(xué)院 土木與交通工程學(xué)院，河南 平頂山 467036)

我國混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[1]將跨高比小于2的梁定義為深梁，深梁的“拱作用”受力特征區(qū)別于普通梁的“梁作用”，因此深梁破壞形式多為受剪破壞。深梁多應(yīng)用于大跨度橋梁、高層建筑剪力墻中，且為主要受力構(gòu)件。

對(duì)于深梁，我國設(shè)計(jì)規(guī)范基于大量試驗(yàn)而推出半經(jīng)驗(yàn)半理論公式，對(duì)于跨高比不大于2的深受彎構(gòu)件，剪跨比均取0.25，且忽略箍筋作用。歐洲、日本、美國規(guī)范均采用拉-壓桿模型(strul-and-tie model)計(jì)算混凝土深受彎構(gòu)件的受剪承載力，合理考慮了剪跨比、水平筋配筋率、加載方式、材料強(qiáng)度的影響。剪跨比在國外規(guī)范中作為一個(gè)重要的計(jì)算因素，而我國對(duì)于剪跨比考慮不足，剪跨比對(duì)深梁設(shè)計(jì)的影響還需更深入地研究[1-4]。

結(jié)合國內(nèi)眾多學(xué)者對(duì)于深受彎構(gòu)件的研究成果，為提高深梁的受剪性能，在不改變結(jié)構(gòu)形式的情況下，本文使用高強(qiáng)材料(混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50，縱向受力鋼筋為HTRB600)研究剪跨比為0.3、0.6、0.9的情況下，深梁的受力特征、破壞形態(tài)、撓度變化等，并借助ANSYS有限元分析軟件，進(jìn)一步驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

對(duì)三根相同尺寸的深梁構(gòu)件進(jìn)行受剪性能試驗(yàn)研究，其中深梁的凈跨l0為1 200 mm，跨高比為2，具體試驗(yàn)方案見表1，試件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

表1 試件設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1 試件尺寸及配筋圖(單位：mm)

深梁試件使用C50混凝土澆筑，預(yù)留6個(gè)150 mm×150 mm×150 mm立方體試塊，測定混凝土力學(xué)性能[5]，試塊與深梁試件在同條件下自然養(yǎng)護(hù)。試件縱向受力鋼筋采用HTRB600級(jí)鋼筋，箍筋、水平分布筋采用HRB400E級(jí)鋼筋，每種鋼筋截取3根測定其力學(xué)性能[6]。混凝土及鋼筋的力學(xué)性能分別見表2、表3。

表2 混凝土力學(xué)性能

表3 鋼筋力學(xué)性能

1.2 加載制度及測點(diǎn)布置

試驗(yàn)在河南城建學(xué)院結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，加載裝置為YJW-10000壓力試驗(yàn)機(jī)，量程為1 000 t。采用四彎點(diǎn)靜力加載方式進(jìn)行加載，通過分配梁與墊板把豎向荷載傳遞至深梁。梁兩端為簡支，根據(jù)剪跨比的變化，調(diào)整分配梁下兩個(gè)墊板的距離。試驗(yàn)開始前先進(jìn)行預(yù)加載100 kN，分三級(jí)完成。正式加載等級(jí)分為15～20級(jí)，每級(jí)荷載為100 kN，快加到初裂荷載時(shí)，調(diào)速為50 kN每級(jí)，裂縫出現(xiàn)后恢復(fù)100 kN直至破壞。試驗(yàn)加載裝置如圖2所示。測點(diǎn)布置分為混凝土應(yīng)變片布置和位移計(jì)布置。其中，試件跨中和斜壓桿區(qū)域布置混凝土應(yīng)變片，間隔150 mm，共計(jì)9個(gè)應(yīng)變片；試件跨中、支座兩端布置位移計(jì)，共計(jì)3個(gè)，放置構(gòu)件背面。詳細(xì)測點(diǎn)布置如圖3、圖4所示。

圖2 試驗(yàn)加載裝置示意圖

圖3 正面混凝土測點(diǎn)應(yīng)變片布置圖 圖4 背面位移計(jì)布置圖

2 結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

MDB-1試件剪跨比為0.3，跨中裂縫多在下部，隨著荷載增加沒有繼續(xù)向上延伸，斜截面裂縫出現(xiàn)后迅速延伸，貫穿幾乎整個(gè)斜壓區(qū)。試件彎曲效應(yīng)不太明顯，最終以斜壓桿被壓潰而發(fā)生斜壓破壞。根據(jù)其破壞形態(tài)，剪力主要由斜壓區(qū)的混凝土承擔(dān)，底部縱筋受力較小。

MDB-2試件剪跨比為0.6，裂縫最先出現(xiàn)在跨中正截面，再稍加荷載繼而出現(xiàn)斜截面裂縫，正截面裂縫增加到梁高度1/3處時(shí)便不再增加，而斜截面裂縫隨著荷載增加逐漸貫穿整個(gè)壓桿區(qū)域，并形成多個(gè)與之平行的貫穿裂縫。根據(jù)其裂縫發(fā)展過程與破壞形態(tài)，剪力主要由混凝土承擔(dān)，但是縱向受力鋼筋明顯比MDB-1受到的拉應(yīng)力大，此時(shí)剪跨比的影響顯著。

MDB-3試件剪跨比為0.9，相對(duì)于MDB-1、MDB-2，其跨中裂縫發(fā)展最為迅速，斜裂縫數(shù)目明顯增多，純彎段正截面裂縫隨著荷載增加向上發(fā)展趨勢更為明顯，鋼筋承擔(dān)較大的拉應(yīng)力，減緩了構(gòu)件破壞速度，但最終還是斜截面處被壓潰而發(fā)生斜壓破壞。

極限荷載值下的試件裂縫分布見圖5(裂縫圖中荷載值為儀表盤顯示荷載值)。

MDB-2、MDB-3在加載過程中先出現(xiàn)正截面裂縫再出現(xiàn)斜截面裂縫，而MDB-1試件先出現(xiàn)斜截面裂縫后出現(xiàn)正截面裂縫。裂縫圖可以看出試件的彎曲效應(yīng)隨著剪跨比的增加而更加顯著，可以合理預(yù)測如果剪跨比繼續(xù)增加，構(gòu)件可能會(huì)發(fā)生彎剪破壞。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

由于深受彎構(gòu)件的破壞形式多為剪切破壞，當(dāng)出現(xiàn)以下標(biāo)志時(shí)[7]：①加載端局部混凝土被壓碎；②沿斜截面混凝土被壓碎或撕裂；③支座處混凝土局部被壓碎，即認(rèn)為深梁已達(dá)到極限荷載值。試驗(yàn)結(jié)果見表4，表4中荷載值為單側(cè)荷載值。

不同剪跨比下試件的開裂荷載、極限荷載對(duì)比如圖6所示。

由圖6可知：剪跨比為0.3時(shí)的開裂荷載明顯大于剪跨比為0.6、0.9時(shí)的開裂荷載，后者的開裂荷載受剪跨比影響較小。極限荷載隨著剪跨比的增大而逐漸降低。因此可得剪跨比對(duì)深梁承載力影響較為顯著。

2.3 荷載-跨中位移曲線

試驗(yàn)過程中通過位移計(jì)測得跨中位移變化，由于試驗(yàn)條件限制未能取得下降段，荷載-跨中位移曲線如圖7所示。

圖6 不同剪跨比下的開裂、極限荷載 圖7 荷載-跨中位移曲線

由圖7可以看出：在300 kN以下各試件撓度相近，隨著荷載增加撓度增長速度發(fā)生較大差別，主要原因是混凝土在開裂前后從彈性到非彈性的脆性變化，在接近破壞荷載時(shí)荷載-跨中位移曲線趨于平滑。對(duì)比可知，在同一荷載下跨中位移隨著剪跨比的增大而增大，剪跨比對(duì)跨中撓度影響顯著。

3 有限元分析

本文使用ANSYS有限元分析軟件對(duì)深梁進(jìn)行數(shù)值模擬。混凝土采用SOLID65單元，本構(gòu)關(guān)系采用Willam-Warnke5參數(shù)模型[9]，單軸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]給定的公式:

(1)

σc=fcε0<εc≤εcu

(2)

式中，ε0=0.002，εcu=0.003 3，n=1.84。

為了提高計(jì)算模型的收斂性，下降段按平直線處理?；炷亮芽p張開傳遞系數(shù)取0.25，閉合傳遞系數(shù)取0.95[9]，關(guān)閉壓碎。鋼筋采用LINK180單元，采用雙向性隨動(dòng)硬化材料(BKIN)屈服準(zhǔn)則。材料本構(gòu)關(guān)系如圖8所示。

圖8 材料本構(gòu)關(guān)系

3.1 分離式建模計(jì)算

鋼筋與混凝土粘結(jié)性能較好，不考慮鋼筋消栓作用，使用分離式建模，認(rèn)為材料單元之間相互鉸接[10]。采用力加載法，用力和位移的無窮范數(shù)條件來控制收斂[11-12],分離式模型如圖9所示。

圖9 分離式模型

3.2 數(shù)值模擬與試驗(yàn)對(duì)比

有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖10所示。ANSYS計(jì)算出極限荷載值略大于試驗(yàn)值，跨中位移小于試驗(yàn)值，原因可能是混凝土材料的不均勻性導(dǎo)致本構(gòu)關(guān)系處理與實(shí)際情況存在差異，誤差值在可接受范圍內(nèi)。通過數(shù)值模擬表明在不同的剪跨比影響下，試件的極限承載力隨著剪跨比增加而降低，與試驗(yàn)結(jié)果較吻合。

圖10 不同剪跨比影響下試驗(yàn)值與模擬值跨中荷載-撓度曲線

4 結(jié)論

本文對(duì)剪跨比分別為0.3、0.6、0.9的三組高強(qiáng)鋼筋混凝土深梁進(jìn)行受剪性能試驗(yàn)，并使用ANSYS有限元分析軟件，采用分離式建模思想，對(duì)比分析試驗(yàn)結(jié)果，得出以下結(jié)論：

(1) 剪跨比對(duì)深梁的受剪極限承載力影響較大，隨著剪跨比的增大，深梁受剪切作用逐漸減小，彎曲作用逐漸增加；在其他條件一定時(shí)，剪跨比越大，深梁受剪極限承載力越?。簧盍旱某趿押奢d隨著剪跨比增大而減小。

(2) 配置高強(qiáng)材料，特別是HTRB600縱向受力鋼筋，延緩了深梁的破壞速度，可極大提升深梁的受彎性能。

(3) 采用分離式建模的有限元計(jì)算模型，能較好地模擬深梁在不同剪跨比下的受力情況，為工程實(shí)踐提供有意義的借鑒指導(dǎo)。