钢管再生混凝土柱本构关系选取论文

将废弃混凝土块经破碎、清洗、分级和按一定比例配合后得到的“再生骨料”作为部分或全部骨料代替天然骨料配置混凝土即为再生混凝土。

将再生混凝土灌入钢管中形成钢管再生混凝土, 能发挥钢管和混凝土各自的优势, 为废弃混凝土应用提供了重要的途径。钢管再生混凝土的研究尚不成熟, 有许多也侧重试验研究, 有限元分析较少, 本文将对钢管再生混凝土构件数值分析中本构关系的选取进行探讨。

1. 钢材的本构关系

对于Q235、Q345和Q390等建筑常用钢, 其应力-应变关系曲线可分为弹性、弹塑性、塑性、强化和二次塑流等五个阶段[1]。本文的钢材, 采用五段式模型。钢材的弹性模量Es及泊松比μs分别取206000MPa及0.3。该模型的表达式如下:

2. 再生混凝土的单轴应力应变关系

目前, 描述混凝土本构关系的模型较多, 混凝土塑性损伤模型能够较好的反映混凝土材料的高度非线性。一方面虽然钢管再生混凝土柱与钢管普通混凝土的受力机理类似, 但由于核心再生混凝土的单轴受压应力—应变关系与普通混凝土有所差异, 因此需对适用于分析钢管再生混凝土柱的核心再生混凝土应力—应变关系进行研究, 具体分为单轴受压和单轴受拉应力-应变关系。

3. 钢管混凝土中核心混凝土的本构关系

钟善桐[2]早在19世纪80年代末对对50多根钢管混凝土轴心受压试件的试验曲线进行了研究, 得到了核心混凝土的应力-应变曲线, 并考虑各个参变量的影响, 提出的混凝土的本构模型。

韩林海钢管约束混凝土模型[3]是通过对大量圆钢管混凝土轴压短柱实验结果的验算和分析基础上提出的, 是一个等效单轴应力-应变关系曲线。

刘威[4]在韩林海模型的基础上, 经过大量算例的试算分析, 修正了韩林海混凝土单轴应力-应变关系的峰值应变和下降段, 提出的核心混凝土的应力-应变关系模型。

4. 取代率对核心混凝土的本构的影响

肖建庄[5]等修正了过镇海模型[6]中轴心受压应力-应变曲线的上升段参数a及下降段参数b, 体现了再生粗骨料取代率对曲线的上升段和下降段的影响。具体修正如公式 (3) 和 (4) 所示;

式中r——再生粗骨料取代率, %;

—再生混凝土峰值应变, με;

杨有福在参考韩林海和肖建庄的基础上提出的再生混凝土应力应变关系

εr0代表再生混凝土的峰值应变, ε0n代表普通混凝土的峰值应变, r代表取代率。

5. 结论

本文查阅了大量文献及资料, 在前人研究的基础上, 采用如下的本构关系对钢管再生混凝土柱轴压力学性能进行了模拟, 有限元分析与试验符合较好, 采用的混凝土及钢材的本构关系如下:

对于受压区再生混凝土, 参考韩林海和xiao等、杨有福的方法, 采用如下单轴受压应力-应变关系模型:

对于受拉混凝土的本构关系, 本文采用沈聚敏等提供的基于能量破坏准则定义的混凝土受拉软化模型[7]。该模型假定混凝土开裂后应力线性减小, 如图6所示。图中Gf和σt0分别为混凝土受拉时的断裂能 (每单位面积混凝土内产生一条连续裂缝所需的能量值) 和峰值破坏应力, 其中峰值破坏应力σt0可由式8确定;混凝土断裂能Gf按公式9计算。

其中, a=1.25dmax+10, dmax为粗骨料的粒径。

摘要：本构关系是反应材料特定性质的数学模型, 也就是应力张量和应变张量的关系。对于不同的材料, 在不同的条件下有不同的应力应变关系, 也称为本构模型。本构关系写成具体的数学表达式即本构方程。研究钢管再生混凝土构件受荷时的极限状态, 钢材和混凝土两种材料将进入弹塑性阶段, 故在钢管再生混凝土构件有限元分析时应采用弹塑性本构。

关键词：钢管再生混凝土,本构关系,有限元分析

参考文献

[1] 韩林海.钢管混凝土结构[M].科学出版社, 2000.

[2] 钟善桐.钢管混凝土结构 (第3版) [M].北京:清华大学出版社, 2003.

[3] 韩林海.钢管混凝土结构-理论与研究 (第二版) [M], 北京:科学出版社, 2007.

[4] 刘威.钢管混凝土局部受压时的工作机理研究[D].福州:福州大学, 2005.

[5] Xiau J Z, Li J B, Zhang C.Mechanical properties of recycled Aggregate Concrete Under uniaxial loading.Cement and Concrete Research, 2005, 35:1187-1194

[6] 过镇海, 混凝土的强度和本构方程——原理与应用[M].北京:中国建筑工业出版社, 2004.

[7] 沈聚敏, 王传志, 江见鲸.钢筋混凝土有限元与板壳极限分析[M].北京:清华大学出版社, 2005.