基于ABAQUS的钢筋混凝土管承载性能影响因素分析.pdf

水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 S2 期Water Resources and Hydropower Engineering Vol.54 No.S2童文祥,叶绍峰,陈国雄,等.基于 ABAQUS 的钢筋混凝土管承载性能影响因素分析J.水利水电技术(中英文),2023,54(S2):175-180.TONG Wenxiang,YE Shaofeng,CHEN Guoxiong,et al.Analysis of influencing factors of bearing performance in reinforced concrete pipe based on ABAQUS J.Water Resources and Hydropower Engineering,2023,54(S2):175-180.基于 ABAQUS 的钢筋混凝土管承载性能影响因素分析童文祥,叶绍峰,陈国雄,檀小辉,于 鑫(中建三局基础设施建设投资有限公司,湖北 武汉 430000)收稿日期:2023-07-01作者简介:童文祥(1992),男,工程师,学士,从事市政施工方面的研究。E-mail:675328308 通信作者:陈国雄(1997),男,工程师,硕士,从事混凝土结构方面的研究。E-mail:2667270258 摘 要:采用有限元软件 ABAQUS 对钢筋混凝土管的抗弯、抗压性能进行了分析,在有限元模型中采用了塑性损伤模型模拟混凝土的非线性行为。通过研究发现,在弯曲过程中随着纵向配筋面积的增大,钢筋混凝土管的弯曲刚度、抗弯承载力增大;而混凝土强度对钢筋混凝土管的弯曲性能影响不大。在受压过程中随着配筋面积的增大,钢筋混凝土管的抗压承载力增大,且破坏模式由单点破坏变为双点破坏;随着混凝土强度的增大,钢筋混凝土管的承载能力大幅提升,但是混凝土强度对钢筋混凝土桩的破坏模式影响不大。关键词:塑性损伤模型;钢筋混凝土管;抗弯性能;抗压性能DOI:10.13928/ki.wrahe.2023.S2.028中图分类号:TU470.3文献标志码:A文章编号:1000-0860(2023)S2-0175-06Analysis of influencing factors of bearing performance in reinforced concrete pipe based on ABAQUS TONG Wenxiang,YE Shaofeng,CHEN Guoxiong,TAN Xiaohui,YU Xin(China Construction Third Bureau Infrastructure Construction Investment Co.,Ltd.,Wuhan 430000,Hubei,China)Abstract:The finite element software ABAQUS is used to analyze the flexural and compressive performance of the established re-inforced concrete pipe,and the plastic damage model is used in the finite element model to simulate the nonlinear behavior of concrete.It is found that the flexural stiffness and flexural capacity of the reinforced concrete pipe increase with the increase of the longitudinal reinforcement area during the flexural process.The concrete strength has little effect on the flexural performance of the reinforced concrete pipe.During the compression process,as the reinforcement area increases,the compressive bearing ca-pacity of the reinforced concrete pipe increases,and the failure mode changes from single point failure to double point failure.The bearing capacity of the pipe is greatly improved,but the concrete strength has little effect on the failure mode of the rein-forced concrete pipe.Keywords:plastic damage model;reinforced concrete pipe;flexural performance;compressive performance0 引 言0 引 言 在市政工程中,钢筋混凝土管由于其强度高,成本低而大量应用。在工程中钢筋混凝土受到管内水压、管道覆土、车辆荷载以及施工时所产生的荷载等,因此对571童文祥,等/基于 ABAQUS 的钢筋混凝土管承载性能影响因素分析水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 S2 期钢筋混凝土管的力学性能研究具备工程价值与意义。近年来,国内外众多的学者对管的力学性能进行了大量的研究,伍鹤皋等1采用 ANSYS 对在三峡水电站中所使用的钢筋混凝土管道试验模型进行了模拟,模拟结果与试验结果较为一致,但是模拟的初裂荷载、钢衬应力值要低于试验值。陈振华等2基于ANSYS 设计了钢筋混凝土管在不同水压下的最优有限元模型,验证了其有效性。吴海林等3在钢衬钢筋混凝土管道有限元模型中采用了试验得到的混凝土软化曲线以及 GB500102010 中的软化曲线,试验得到的软化曲线所得到的模拟结果与试验结果更为接近。苏凯等4在钢筋混凝土管有限元模型中通过引入摩擦接触单元模拟钢衬与外包混凝土之间的摩擦,发现管道起裂荷载与缝隙值大小具备线性关系。尽管上述研究对钢筋混凝土管的力学性能进行了相关因素的分析,但是一些因素如配筋面积等研究还存在不足,开展大规模的钢筋混凝土管试验需要大量的成本。因此本文基于 ABAQUS 对钢筋混凝土管的抗弯、抗压承载性能进行分析,在模型中采用了塑性损伤模型,并研究了不同配筋面积与混凝土强度对钢筋混凝土管的承载性能的影响。1 有限元模型建模过程1 有限元模型建模过程 在本文中,钢筋混凝土管直径为 500 mm,壁厚为 100 mm,长度为 10 m,纵向钢筋采用 8 根直径为12 mm 的 HRB400 钢筋,箍筋采用直径为 10 mm 的HRB400 钢筋,间距为100 mm。在本文中,对其编号为 C30-12,其中 C30 表示混凝土强度为 C30,12 表示钢筋直径为 12 mm。图 1 ABAQUS 模型示意1.1 模型建立 在有限元软件 ABAQUS 中建立了钢筋混凝土管模型,建立模型如图 1 所示。C3D8R 单元模拟混凝土,采用T3D2 单元模拟钢筋,钢筋被嵌入到混凝土中,这种处理方式认为钢筋与混凝土之间粘结良好。为在加载模式上选择使用“位移控制”位移加载方式。1.2 材料本构关系 本文中采用塑性损伤模型(CDP)模拟混凝土的力学行为,CDP 模型由 LUBLINER 等5提出、后来由 LEE 等6改进屈服方程。能够有效模拟混凝土的损伤过程。本文采用 GB5001020107混凝土受压应力-应变关系模拟混凝土受压行为,弹性极限取到 0.6 倍轴心抗压强度。公式如下c=fc,r/Ecc,r-fc,rfc,r/Ecc,r-fc,r+(c/c,r)fc,r/Ecc,r-fc,r Ec,cc c,rfc,rc/c,rc(c/c,r-1)2+c/c,r,c c,r(1)对于混凝土受拉过程塑性段采用 GB50010-2010素混凝土受拉应力-应变关系来模拟,公式如下t=ft,rt/t,rt(t/t,r-1)1.7+t/t,r(2)在本文中,理想弹塑性本构模型用来模拟钢筋的弹性与塑性阶段。1.3 材料属性 混凝土材料性质如表 1 所列,钢筋材料性质如表2 所列。表 1 混凝土材料性质材料名称弹性模量/MPa轴心抗压强度/MPa轴心抗拉强度/MPa泊松比C3030 00020.12.010.2表 2 钢筋材料性质材料名称弹性模量/MPa屈服强度/MPa极限强度/MPa泊松比HRB400200 0004005400.32 钢筋混凝土管弯曲性能分析2 钢筋混凝土管弯曲性能分析2.1 弯曲荷载-位移曲线 如图 2 所示,对于钢筋混凝土管的弯曲荷载-位移曲线,可分为三个阶段:弹性阶段、裂缝不稳定发展阶段、裂缝稳定发展阶段。在弹性阶段,管受拉区混凝土应力较小且呈线性,随着荷载的增大管底部的混凝土达到其抗拉强度,混凝土开裂,荷载位移曲线出现转折,开始进入裂缝不稳定发展阶段,可见荷载-位移曲线出现锯齿状的波动,这表明在荷载不断671童文祥,等/基于 ABAQUS 的钢筋混凝土管承载性能影响因素分析水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 S2 期图 2 试件 C30-12 弯曲过程不同阶段荷载-位移响应增大的情况下,裂缝不断出现。荷载的进一步增大使得试件开始进入裂缝稳定发展阶段,在这一阶段已经存在的裂缝宽度不断增大。最终钢筋屈服,荷载-位移曲线趋平,达到管的极限承载力。2.2 破坏模式 由图 3 应力云图中可知此时管的受压区混凝土应力已经达到了轴心抗压强度值,混凝土已经失效,而此时钢筋的应力只有 380.80 MPa。因此可以判定C30-12 的破坏是由混凝土受压破坏引起的。图 3 试件 C30-12 受弯应力云图3 钢筋混凝土管受压性能分析3 钢筋混凝土管受压性能分析3.1 受压荷载-位移曲线 如图 4 所示,根据受压荷载-位移曲线特征可将钢筋混凝土管受压过程分为三个阶段,分别为弹性阶段(从加载起点到曲线第一次转折),塑性阶段(从第一次转折到荷载最高点),失效阶段(荷载急剧下降)。图 4 试件 C30-12 受压荷载-位移曲线3.2 损伤分析 本文采用等效塑性应变云图(PEEQ)表征钢筋混凝土管受压损伤,从图 5 中可看出,钢筋混凝土管试件 C30-12 等效塑性应变最大值位于试件中部。这是由于在有限元模型中,对于边界条件,加载模式较为理想的设置。图 5 试件 C30-12 受压等效塑性应变云图4 影响因素分析4 影响因素分析 在完成上述的分析之后,在上述有限元模型的基础上,进一步研究了不同配筋面积,不同混凝土强度对钢筋混凝土管的抗弯力学能力的影响。试件参数如771童文祥,等/基于 ABAQUS 的钢筋混凝土管承载性能影响因素分析水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 S2 期表 3 所列。表 3 试件参数编 号混凝土强度纵 筋C30-12C30812C30-16C30816C30-18C30818C30-20C30820C40-16C40816C50-16C50816C60-16C608164.1 钢筋混凝土管抗弯承载性能影响因素分析4.1.1 荷载-位移曲线由图 6(a)可看出,随着配筋面积的增大,钢筋混凝土管的开裂后刚度变大,钢筋屈服时所对应的荷载也较大,配筋较小的钢筋混凝土管在荷载相对较小的情况下钢筋就已屈服。而且从图中可看出在配筋较小的钢筋,波动区域持续阶段较长,表明在荷载不断加大的过程中,混凝土不稳定开裂过程持续的时间较长,而对于配筋面积较大的钢筋混凝土管,混凝土不稳定开裂过程较短。从图 6(b)可看出混凝土强度对钢筋混凝土管力学性能影响不大,钢筋混凝土管刚度基本一致,无论是在弹性阶段还是裂缝不稳定发展阶段。4.1.2 抗弯承载力的影响在图 6 弯曲荷载-位移曲线中,以曲线第一次转折作为管的弯曲开裂荷载判定依据,钢筋屈服作为钢筋混凝土管的弯曲极限荷载判定依据。从图 7 中可看出,无论是配筋面积变化还是混凝土强度变化,对钢筋混凝土管的弯曲开裂荷载变化不大,随着配筋面积的增大,钢筋混凝土管弯曲极限承载力增大,相对之下,混凝土强度增大对于弯曲极限承载力影响不大。4.1.3 弯曲破坏模式影响从表 4 中可看出,在配筋面积较小、混凝土强度较小的情况下,钢筋混凝土管受弯破坏是由钢筋屈服而引起。在混凝土强度相同的情况下,随着配筋面积增大,管的受弯破坏由钢筋屈服破坏变为受压区混凝土压碎破坏。在钢筋面积相同的情况下,随着混凝土强度的增大,管的受弯破坏模式由混凝土压碎屈服破坏变为钢筋屈服破坏。图 6 钢筋混凝土管弯曲过程荷载-位移曲线图 7 钢筋混凝土管弯曲开裂荷载和极限荷载871童文祥,等/基于 ABAQUS 的钢筋混凝土管承载性能影响因素分析水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 S2 期表 4 试件弯曲破坏模式试 件弯曲破坏模式C30-12钢筋屈服C30-16混凝土压碎C30-18混凝土压碎C30-20混凝土压碎C40-16钢筋屈服C50-16钢筋屈服C60-16钢筋屈服4.2 钢筋混凝土管抗压承载性能影响因素分析4.2.1 荷载-位移曲线如图 8(a)所示,对于不同配筋面积的钢筋混凝土管,随着配筋面积的增大,对钢筋混凝土管的弹性阶段几乎没有影响,而在混凝土开裂后,配筋面积越大,管的刚度越大。如图 8(b)所示,对于不同混凝土强度的钢筋混凝土管,随着混凝土强度的增大,钢筋混凝土管弹性阶段越长,同样在混凝土开裂后,混凝土强度越高,管的刚度越大,而且这种区别会更加明显。从图 9 中可看出,不同配筋面积对钢筋混凝土管的开裂荷载、极限荷载影响较小;而混凝土强度对增强钢筋混凝土管极限开裂荷载、极限荷载影响较大,随着混凝土强度的增大,钢筋混凝土管的开裂荷载与极限荷载也随之增大。4.2.2 钢筋混凝土管受压破坏模式分析本文采用等效塑性应变(PEEQ)表征钢筋混凝土管在受压过程中的损伤。从图 10 中可看出,随着配筋面积发生变化,失效模式由一点集中破坏变为接近对称的两点破坏,但是在配筋面积相同的情况下,混凝土强度的变化并不会对失效模式产生影响。而从等效塑性应变值中可看出,随着混凝土强度的增大,管的塑性变形能力增强。5 结 论5 结 论 本文通过 ABAQUS 软件建立了钢筋混凝土管的有限元模型,在有限元模型中使用了塑性损伤模型模拟混凝土的力学行为,研究了配筋面积、混凝土强度对管受弯、受压性能的影响,得到以下结论。(1)随着配筋面积的增大,钢筋混凝土管的弯曲刚度变大,裂缝不稳定开裂阶段变短,同时钢筋混凝土管的抗弯承载力变大。(2)混凝土强度对钢筋混凝土管弯曲开裂荷载、弯曲极限荷载影响不大。对于混凝土强度较高的钢筋混凝土管,不稳定开裂过程持续过程增大。图 8 钢筋混凝土管受压过程荷载-位移曲线图 9 钢筋混凝土管受压开裂荷载和受压极限荷载971童文祥,等/基于 ABAQUS 的钢筋混凝土管承载性能影响因素分析水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 S2 期图 10 钢筋混凝土管受压破坏模式 (3)配筋面积对钢筋混凝土管受压开裂荷载影响不大,受压极限荷载随着配筋面积的增大而增大。且失效模式由一点集中破坏变为接近对称的两点破坏。(4)随着混凝土强度增大,钢筋混凝土管受压开裂荷载和受压极限荷载增大。但是混凝土强度变化对于失效模式影响不大,但钢筋混凝土管的塑性变形能力增强。参考文献:1 伍鹤皋,张金强.ANSYS 在钢衬钢筋混凝土压力管道分析中的应用J.武汉大学学报(工学版),2006(1):35-38.2 陈振华,赵红红.基于 ANSYS 的钢衬钢筋混凝土压力管道优化设计J.三峡大学学报(自然科学版),2010,32(5):42-44.3 吴海林,朱良才,冉红洲,等.混凝土受拉软化特性对钢衬钢筋混凝土管道承载性能的影响研究J.水力发电,2017,43(5):52-55.4 苏凯,杨子娟,伍鹤皋,等.缝隙对钢衬钢筋混凝土管道结构承载特性的影响研究J.天津大学学报(自然科学与工程技术版),2018,51(9):967-976.5 LUBLINER J,OLIVER J,OLLER S,et al.A plastic-damage model for concreteJ.International Journal of solids and structures,1989,25(3):299-326.6 LEE J,FENVES G L.Plastic-damage model for cyclic loading of concrete structuresJ.Journal of engineering mechanics,1998,124(8):892-900.7 中华人民共和国住房和城乡建设部.混凝土结构设计规范:GB 500102010S.北京:中国建筑工业出版社,2010.(责任编辑 王海锋)081