...子机械构件材料强度尺寸效应研究
卫爱霞 李峰 谢胜涛
【摘 要】针对钢筋混凝土构件尺寸效应问题，通过有限元数值模型进行轴心受压破坏行为及尺寸效应数值研究，揭示钢筋混凝土圆柱的轴心抗压强度尺寸效应规律，为大尺寸钢筋混凝土尺寸效应试验提供了参考。
【关键词】钢筋混凝土；轴心抗压强度；尺寸效应；数值研究
中图分类号： TP391.9 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2017）20-0035-002
Numerical research of the effect of compressive strength of reinforced concrete column axis
WEI Ai-xia LI Feng XIE Sheng-tao
（Institute of Disaster Prevention，Sanhe Hebei 065201，China）
【Abstract】Aiming at the problem of size effect of reinforced concrete members， the finite element models of structures was adopted to study the damage behavior and size effect of stirrup-confined columns， discover the law of size effect of axial compressive strength of reinforced concrete columns， and provide references for the size effect test of large-size reinforced concrete.
【Key words】Reinforced concrete；Axis compressive strength；Size effect；Numerical studies
0 引言
钢筋混凝土结构是由钢筋和混凝土组合而成的复合结构，它的力学性能直接由钢筋和混凝土的力学性能来决定[1]。与混凝土材料相比，钢筋的力学性能简单，容易掌握，均质性高。而混凝土作为一种由粗骨料、细骨料、水泥砂浆及初始缺陷构成的多项复合材料，其内部的非均质性构造特征使得混凝土具有显著的尺寸效应[2]。因此，钢筋混凝土结构的力学性能也必然存在尺寸效应。在材料和构件层次，国内外学者也充分考虑到了混凝土与钢筋之间相互作用力学行为的高复杂性，通过试验验证了钢筋混凝土构件层次的尺寸效应行为[3-5]。钢筋混凝土的构件的非均质性尺寸效应和钢筋/混凝土的非线性相互作用是目前研究的热点，直接根据小尺寸试件的实验结果建立的理论方法因受试验设备和经济条件的限制未必具有普遍的指导作用，而通过大尺寸的鋼筋混凝土构件试验来研究构件层次的尺寸效应问题在现实中面临诸多困难。因此，如果能够建立表达钢筋与混凝土非线性作用、混凝土的尺寸效应的数值模型，研究钢筋混凝土构件的力学性能，掌握其破坏过程与机理，进而从小尺寸外推到大尺寸，从细观尺度数值模型出发，对预测大尺寸钢筋混凝土构件的力学特性和破坏行为具有重要意义。
1 钢筋混凝土细观尺度力学模型
为了更精确表达钢筋混凝土构件的尺寸效应与钢筋/混凝土非线性相互作用，本文采用混凝土细观结构建立细观尺度数值分析模型。假设混凝土材料由球状骨料颗粒、砂浆介质和界面过渡区共同构成，其中骨料颗粒含量设为35%，使用30mm和16mm的等效粒径表示骨料颗粒的连续级配。采用Monte-Carlo法随机投放骨料颗粒，并在骨料结构上投影有限元网格，依据网格单元尺寸小于1/4骨粒粒径的原则，设定网格单元大小为4mm，界面相厚度设置为4mm。根据骨料在网格中的位置判断为骨料单元、砂浆单元和界面单元类型并赋予对应的材料特性。为了揭示钢筋混凝土圆柱的轴压破坏尺寸效应，按照1：1.5：2.25的截面尺寸比例设计与试验试件相同的3组三维约束混凝土圆柱数值模型，其截面边长与柱高分别为282mm×846mm、424mm×1272mm、636mm×1908mm。建立CBS-1、CBS-2、CBM-1、CBM-2、CBL-1和CBL-2共3组钢筋约束混凝土圆柱数值模型，其中“C”代表圆形截面；“B”表示体积配箍率ρsv=2.89%；“S、M、L”分别表示构件尺寸的小、中、大型号；模型代号后的数字表示模型号。本次试验采用C30混凝土和HRB400级钢筋，按照我国混凝土结构设计规范（GB50010-2010）推荐的钢筋-混凝土黏结滑移本构关系模型来描述其相互作用问题。
2 钢筋混凝土柱轴心受压力学行为
对3组不同尺寸的约束混凝土圆柱的轴压破坏行为模式时，各骨料体积分数相同，仅空间随机分布不同，固定圆柱底边，在其顶部施加位移载荷，两侧为自由边界，钢筋混凝土圆柱在轴心压力作用下，先从受压端下侧产生微小裂缝，但从圆柱整体来看，受压端并未产生明显破坏，破坏主要集中发生在圆柱中部；随着加载力的逐渐增大，钢筋混凝土圆柱外侧混凝土脱落，裂缝逐渐向下发展，使圆柱体中部的破坏面积逐渐增大，产生更多斜裂缝，随着这些裂缝的发展，最终沿圆柱体表面形成一道斜裂缝，钢筋混凝土圆柱中的钢筋达到屈服强度，使得钢筋混凝土圆柱最终发生剪切破坏，丧失其稳定性。
数值模拟得到的名义轴压强度如表1所示，由误差知数值模拟与试验结果吻合较好，误差最大不超过1.22%，证明了该方法的有效性。在相同体积配箍率下，3组构件模型的名义轴心抗压强度均随构件尺寸的增大而减少，这说明约束混凝土圆柱存在尺寸效应现象。
图1是创建的三种不同尺寸的有限元数值模型在轴向压缩数值试验下获得的钢筋混凝土圆柱名义应力与应变的关系曲线，图中横坐标是柱端竖向位移Δ与柱高H，纵坐标轴向应力为轴向荷载与柱横截面面积的比值，从图中可以看出，因为核心区混凝土处在三轴受压力状态，当构件模型达到峰值强度后，混凝土材料横向膨胀量显著增大，箍筋的约束力随之增强，在箍筋约束作用下，核心区混凝土的剪切变形和膨胀变形受到限制，所以名义轴压强度和变形能力显著提高。不同尺寸的钢筋混凝土圆柱的破坏历程基本上是一致的，钢筋混凝土圆柱的整个破坏过程符合钢筋混凝土圆柱在实验室得到的轴心受压破坏机理。
3 结论
本文采用钢筋混凝土轴压破坏行为及尺寸效应模拟的三维细观尺度数值模拟方法开展了钢筋约束混凝土柱轴心抗压强度尺寸效应理论分析，主要的研究结论如下：
（1）数值模拟结果与试验结果吻合良好，钢筋混凝土柱三维细观分析模型较好表征了几何尺寸对构件破坏行为及名义强度的影响，钢筋混凝土圆柱轴心抗压强度存在较显著的尺寸效应现象。
（2）本文建立的钢筋混凝土圆柱有限元数值模型在轴心压缩下得到的数值结果与实验结果吻合良好，能够为大尺寸钢筋混凝土圆柱构件提供良好的理论参考。
（3）箍筋不仅有效提高了混凝土的轴向名义压缩强度而且箍筋对混凝土的尺寸效应现象有减轻作用，可以有效抑制混凝土柱的尺寸效应现象。
【参考文献】
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