区域约束混凝土梁抗剪试验研究及有限元分析

区域约束混凝土梁抗剪试验研究及有限元分析
作者：呙古月曹新明周建英鄢琨鸿丁嘉俊
来源：《贵州大学学报（自然科学版）》2017年第01期
摘要：区域约束混凝土是基于约束混凝土而提出的全新的概念，大量试验研究证实了区域约束钢筋混凝土结构的抗压、抗剪、抗震及延性较传统约束混凝土均有一定程度的提高，结合区域约束混凝土的非线性本构关系模型，用ABAQUS对4根在集中力荷载作用下的区域约束混凝土梁建立有限元分析程序，模拟构件在剪切作用下的受力过程，证实了程序分析结果与试验值相符合，为今后区域约束的有限元分析提供了有效的理论依据。

关键词：区域约束混凝土；本构关系模型；非线性有限元分析
中图分类号：TU378.8 文献标识码： A
钢筋混凝土结构的抗剪一直以来都是专家学者研究的重点课题，如何提高结构抗剪承载力也是工程中经常遇到的热点问题。

区域约束混凝土结构通过改变结构内部配筋形式、合理布置钢筋，改变了约束混凝土的传统模式，在构件需要的地方施加约束，从而提高约束区域的混凝土强度。

由于钢筋混凝土结构构件的不同区域在外力作用下所发挥的作用不同，这就使得让各个部分充分发挥其作用对抗外部荷载尤为重要。

例如简支梁的受剪段，在集中荷载作用下简支梁端部抗剪承载力需要提高，针对不同构件的功能和受力机理，应用区域约束的原理对结构构件中需要的区域进行约束，如图1所示，在结构受剪区段配置约束箍筋，形成约束体，如图中阴影部分所示，而约束体可被视为一个整体用于结构或构件受力分析的钢筋（型钢）约束混凝土，这样的约束形式弥补传统混凝土结构在受力上的缺陷并充分发挥约束体性能，经过约束后的结
构比起普通混凝土结构能大幅度提高结构的承载力、延性及抗震性能，能有效减小构件截面，降低材料消耗，减轻结构自重，同时降低地震反应。

1 计算原理
基于区域约束混凝土的结构特性，前人对区域约束混凝土进行了大量的理论分析与试验研究，并编写了《区域约束混凝土结构技术规程》，参考国内外相关标准，对现有区域约束混凝土科研成果和工程实践经验进行了总结，以传统混凝土结构受剪承载力公式为基础，经过回归分析，提出了由区域约束提高之后的斜截面受剪承载力的公式如下：
V=acvb（h0-xcc）ft+fyv Asv s h0+b1xccfcv
（1）
且b1cccfcc≤Asfy
式中，acv为截面混凝土受剪承载力系数，按照《混凝土结构设计规范》GB50010确定，b1为约束核心区截面宽度；xcc为截面受压区高度；fcv为约束体抗剪强度设计值，取
fcv=0.1fcc，由于约束箍筋的约束效应，区域约束混凝土结构的混凝土抗壓强度较之普通混凝土有一定程度的提高，提高之后的约束体抗压设计强度fcc=（1+0.65k）fc
，其中k=（fyρs+fyvρv）/fc
为约束混凝土系数。

2 试验概况
对4根区域约束混凝土梁进行抗剪试验分析，证实了《区域约束混凝土结构技术规程》所提出的承载力公式相对保守，但由于试验条件的限制以及试验本身不可避免的误差，为了详细对比不同区域约束配箍形式、混凝土强度、剪跨比、约束混凝土系数以及下部纵筋对梁的抗剪承载力的影响，现利用ABAQUS有限元软件对区域约束混凝土梁进行非线性分析，模拟试验中4根区域约束混凝土梁在集中力作用下的抗剪试验，对比分析有限元分析数据与试验数据，并对所提出的承载力公式进行进一步的验证。

试验中设计截面尺寸为b×h=150 mm×300 mm，跨度为l=1500 mm的区域约束混凝土梁构件4根，分别采取两种不同的配筋形式，每种构件各两根进行对比，梁截面及配筋如图2所示，旨在分析不同约束形式下构件的破坏形式、抗剪承载力大小以及约束箍筋在斜截面抗剪中所发挥的作用，构件详细参数对比见下表1。

3 有限元模型的建立
ABAQUS有限元软件具有强大的非线性分析功能，具有丰富的材料本构关系模型，现在用ABAQUS软件对试验进行有限元分析，下图3为按试验中构件参数建立得区域约束混凝土简支梁在集中力作用下的剪切破坏模型。

B1、B2构件对应模型RCC1（Regional Confined Concrete 1），B3、B4构件对应模型RCC2（Regional Confined Concrete 2），图4为两种类型约束混凝土构件的钢筋骨架。

3.1 本构关系模型
3.1.1 CDP模型的选取和损伤因子的计算
从某种程度上来说，本构关系模型的选取是非线性有限元分析的关键所在。

混凝土材料具有明显的非线性特性，而其非线性特性主要是由于内部微裂缝的存在而造成的，其非线性性能也主要由微裂缝的产生、扩展和传播所决定，并最终造成材料的破坏。

而在ABAQUS有限元软件中为混凝土材料提供了三种本构关系模型，其中混凝土损伤塑性模型能够模拟各种结构中混凝土结构在加载过程中由裂纹的形成和发展而产生的损伤，与实际情况较为符合。

为较为准确地模拟试验构件在剪切作用力下的实际受力情况，本文将选取混凝土损伤塑性模型（CDP 模型）对构件进行分析。

3.1.2 区域约束应力应变关系
虽然ABAQUS提供了适合于区域约束混凝土结构模拟试验的本构关系模型——混凝土损伤塑性模型，但对于软件中参数的选取还没有统一的标准，下面将结合区域约束混凝土的特点对模型中应力-应变参数给出确定的方法。

区域约束作用将混凝土结构划分为混凝土强度不同的强、弱约束区，强约束区在约束箍筋的束缚下连同外部箍筋与弱约束区一起，组成了一个相互制约、共同联合作用的整体。

在这种约束机制下，区域约束混凝土强度较之普通混凝土以及传统约束混凝土均有一定程度的提高，如前面列出的，其强度表达式为：
3.2 模型中参数的输入
利用混凝土损伤塑性模型对区域约束混凝土结构进行非线性分析的的关键在于参数的选取，参数设置的合理与否直接关系到分析结果的准确性，而参数选取的重点在于损伤因子及其相关变量的选取。

本次试验在构件混凝土两侧跨中上部受压区以及下部受拉区分别布置有应变片，且采集到的数据比较完整，根据上文所提出的混凝土受压区本构模型，可将受压区混凝土应变分为三段进行选取，即ε﹤εcc 时的二次抛物上升段、εcc ﹤ε﹤4 εcc 时的斜线下降段和4 εcc﹤ε时的水平段，εcc 为区域约束体峰值应力时所对应的应变，其试验值大小取决于约束系数k和普通
混凝土峰值应变ε0 ，其二者关系表达式在式（8）中已详细给出，本次试验约束体峰值应变εcc =0.0104。

对于受拉区混凝土计算参数的选取此处不再赘述，式（3）已经给出了受拉、受压损伤因子的计算方法，只需按式（4）、（5）以及本文所建议的本构模型公式将应变仪采集到的名义应力和名义应变进行相应的转化即可得到对应的损伤因子，计算参数如下表2所示。

为了更清晰地表述受压、受拉区混凝土损伤因子和非弹性应变之间的关系，分别作出受压区损伤因子-非弹性应变曲线和受拉区损伤因子-开裂应变曲线，如图6所示。

4 有限元结果分析
4.1 云图分析
输出abaqus模型中塑性损伤云图，将其与结构试验现象相对比可发现两种构件在剪切作用下的损伤情况与结构试验中裂缝发展趋势一致，混凝土受压损伤最严重的部位在腹剪斜裂缝处，且结构试验中首先在此处钢筋屈服，混凝土被剪碎破坏，受压损伤云图Damagec与试验受剪斜裂缝对比情况如下图7所示。

损伤区域均由由下部支座发展延伸至上部剪力加载点，但RCC1的损伤程度比RCC2更大，观察其各自的钢筋骨架分析是因为RCC2模型在跨中区域普通箍筋较少，这样致使钢筋与混凝土之间的咬合力有所减小，等到混凝土开裂后承担抗剪的主要是约束箍筋和少量配置的普通箍筋，所以损伤程度会降低，与试验中两种构件的加载破坏现象也非常吻合，分析结果较为满意。

4.2 抗剪承载力分析
为将试验极限荷载与有限元模型进行对比，将箍筋应变达到3500 με时的荷载定义为极限荷载，有限元分析结果中两个模型的极限荷载分别为387 KN和358 KN，与试验中极限荷载375 KN和310 KN相比，分别相差3.1%和13.4%，加载点的荷载位移曲线如下图8所示，RCC1的结果较为满意，RCC2产生的偏差相对偏大，但也较为保守，考虑是因为RCC2构件普通箍筋较少，参与抗剪的主要为上部减压区约束箍筋，试验过程中的误差容易对极限承载力的测定产生较大的干扰，据此也说明RCC2构件的性能还有很大的提升空间。

此外，将模拟的极限荷载与由区域约束混凝土承载力公式（1）所计算出的理论值相比较，结果也较为满意，再次论证了理论公式的合理性。

4.3 本构关系
将abaqus模型中两种类型的区域约束混凝土梁上部受压区混凝土应力、应变数据提取出来作出
其应力-应变关系曲线如图9所示，与之前提
出的本构关系模型相对比发现，理论本构关系曲线与此次模型分析结果基本吻合，只是在曲线的下降段略有差异，与理论值相比，模型中曲线的下降段更为平缓，且在水平段其值略大于0.439，由于理论本构模型是总结区域约束混凝土短柱试验值所得，而混凝土梁的约束形式与受力机理与柱还存在相当的差异，所以模型中曲线与理论值会存在偏差。

由于区域约束作用，受压区混凝土强度大幅提高（此次试验中約提高32.2%），观察可得图中曲线下降段坡度较为平缓，即认为在应力下降相同幅度时，区域约束混凝土梁会发生较大的变形，具有较好的延性性能。

5 结论
区域约束混凝土结构源于传统混凝土，又将传统混凝土的各种性能进行了补充和加强，但这个全新的概念又有很多地方需要补充与论证，本文用ABAQUS有限元软件对区域约束混凝土梁进行非线性模拟分析，并据此提出以下几点结论：
1）构件基于混凝土塑性损伤模型的分析结果与试验相符合，证明了利用CDP模型对区域约束混凝土进行数值分析的可信度，为今后的研究提供了更快捷方便的办法，有利于充分开发区域约束的杰出性能和分析其发展趋势。

2）由于区域约束混凝土结构的特殊性，其受压区混凝土本构关系模型选用了基于区域约束混凝土短柱试验所拟合的应力-应变关系曲线，计算出损伤因子，分析结果才能收敛，若选用其他模型，分析结果则与实际不符。

3）在有限元软件中如何对钢筋混凝土结构的参数进行设定对结果至关重要，为对模型试验中的条件进行仿真模拟，缩小软件与试验结果的差距，还亟需进一步的研究。

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