图1 构件有限元分析模型
Fig.1 Finite element analysis model
王 兵，尤洪旭，刘 晓
(沈阳大学建筑工程学院，辽宁，沈阳 110044)
摘 要：为了研究型钢再生混凝土(SRRAC)梁高温之后受弯的力学性能，通过利用 ABAQUS有限元分析软件建立了高温作用后型钢再生混凝土梁受弯的有限元模拟模型，对截面温度场及剩余承载力进行分析，并和现有的有关实验数据进行对比验证。分析了受火时温度、再生粗骨料取代率、混凝土强度、型钢屈服强度、截面含钢率对剩余承载力的影响。在模型正确的基础上进行了梁工作性能，破坏模态的机理分析。结果表明：型钢再生混凝土的取代率对型钢再生混凝土的承载力有部分影响，取代率的增加可以提升再生混凝土的承载力，构件的承载力主要跟受火温度有关，受火200℃的构件承载力减低了10%～15%，受火600℃的构件承载力降低了20%～25%。该文的研究结果对高温后型钢再生混凝土的工作机理有了更深的研究。根据取代率和受火温度可以判断型钢再生混凝土梁的极限承载力的变化情况。
关键词：型钢再生混凝土；高温作用后；有限元分析；温度场；剩余承载力
型钢再生混凝土(SRRAC)与普通钢筋混凝土构件相比，具有很多优点。从结构来看，型钢与混凝土之间可以相互约束，从而承载力和变形能力都得到提高。从环保方面来看，充分利用废弃混凝土可以有效的解决建筑垃圾的污染问题，并且可以减少混凝土的使用量，起到节能环保的效果。
目前国内外学者在20℃SRRAC构件的受弯性能方面已经进行了试验以及数值、有限元模拟等相关的研究，主要有肖建庄[1－6]等对再生混凝土和再生混凝土梁的研究；陈宗平[7－8]、薛智升[9]等对构件的承载力和变形情况进行了研究；陈宗平[10－12]等对高温后构件的承载力和刚度变形情况进行了深入研究。目前高温后SRRAC构件的受弯性能研究还鲜有报道。
本文作者通过有限元分析软件ABAQUS对经历了高温后的SRRAC受弯梁进行模拟，并将影响其剩余承载力等主要参数进行分析，为SRRAC梁的工程应用提供参考，并为今后的相关研究提供了帮助。
混凝土和钢材在经受高温作用后其受力性能会有所改变，恢复到常温时虽然力学性能有所恢复，但跟未经受高温作用的构件还是有所差别。为了更好的研究型钢再生混凝土构件在经历高温作用后的受弯力学性能，根据高温后混凝土和钢材的本构关系构建力场有限元模型，从而建立了高温后的有限元模型。
在有限元模拟中使用高温后的混凝土和钢筋的本构，混凝土、刚性垫块、工字钢采用实体单元(DC3D8)，纵筋和箍筋采用桁架线单元(DC1D2)。按照试验构件尺寸进行建模装配再进行合理的切割划分，这样有利于更好划分网格从而使得计算更加容易。在相互作用中对混凝土表面创建热对流和热辐射，热对流系数为25 W/(m2·K)，热辐射系数为 0.5，热传导则通过热工关系中的热传导系数来体现。同时将钢筋笼、工字钢和混凝土tie在一起。温度设定了20℃、200℃、400℃和600℃四种。最后还需要对构件进行布种子和划分网格，选择热应力属性进行计算。
边界条件的设置严格与试验一致，一端为固定端，一端铰支座。加载方式采用位移加载。图1为构件有限元分析模型。
图1 构件有限元分析模型
Fig.1 Finite element analysis model
对文献[10]中所完成的高温后型钢再生混凝土受弯梁进行了有限元分析，并用有限元模拟的数据和前人的实验数据进行对比分析。有限元模拟的再生混凝土的本构关系采用文献[7]的数据，而且按照实验的实际情况把弹性模量进行修正。表1给出了试件的主要参数，图2是数值计算和实验结果的对比，从图中可以看到模拟结果和实验结果吻合的非常好。
表1 试件参数
Table 1 Parameters of specimens
本文作者建立了火灾后型钢再生混凝土受弯梁的有限元分析模型，有限元分析构件的参数基本如下：构件长度L=1100 mm，截面尺寸B×D=150 mm×200 mm，构件的保护层为25 mm，内部型钢采用 I10，再生混凝土强度等级为 C40，型钢选用Q345，纵向受力钢筋
，箍筋
@200，钢筋强度均为HRB335，钢筋保护层厚度30 mm。通过以上参数设计了一组型钢再生混凝土轴压构件。本文主要分析了受火温度T(20℃、200℃、400℃和600℃)，再生粗骨料取代率γ(0%、30%、50%、70%、100%)，混凝土立方体抗压强度fcu(40 MPa、60 MPa、80 MPa)，型钢屈服强度fy(235 MPa、345 MPa、420 MPa)和截面含钢率αc(4%、6%、8%)对剩余承载力影响系数的影响。
图2 模型验证
Fig.2 Model validation
本文作者在考虑受火温度对火灾后型钢再生混凝土梁剩余承载力的影响的情况下，分析了受火温度是20℃、200℃、400℃和600℃四种的再生混凝土构件模拟。
图3是不同再生粗骨料取代率的情况下不同受火温度的荷载-位移曲线图。从图中可以看出受火温度增加的同时，构件的刚度是降低的。主要的原因是在高温作用后混凝土的受力性能严重下降，但是钢材的受力性能在高温作用后能够有良好的回升，此时钢材承受构件的主要荷载，所以构件的延性非常好。
图3 各取代率下不同受火温度的荷载-位移曲线
Fig.3 Load-displacement curves under various fire time at each replacement rate
图4给出了不同再生粗骨料取代率下关于剩余承载力的对比曲线图。由图形可知随着受火时间的增加构件的剩余承载力是不断下降的，下降程度随着温度的不同而有所不同，由图可知，20℃～200℃下降最明显，200℃、400℃和600℃下降最不明显，尤其是 200℃～400℃下降程度最不明显，造成这种现象的原因: 1) 已有研究表明[3]，当再生粗骨料取代率大于50%时，在300℃～500℃时再生混凝土的残余抗压强度有轻微提高，并且随着取代率的提高再生混凝土的残余抗压强度提升越大；2) 温度升高的同时，内部的型钢和内部混凝土承受构件的主要荷载，外部混凝土渐渐丧失受力性能，同时外部的混凝土起到了保护内部混凝土和钢材的作用，使得内部混凝土和钢材长时间保持良好的受力性能。
图4 各取代率下不同受火温度剩余承载力对比
Fig.4 Residual bearing capacity under various fire time at each replacement rate
图5 分析了受火温度600℃，取代率100%下，从图中可以看出，在弹性阶段各个型钢屈服强度下的曲线基本一致，从各构件的极限荷载可以看出，型钢屈服强度的增加使得构件的极限承载力变大，和235 MPa的型钢相比，345 MPa的型钢的极限承载力增加了 6%，420 MPa的型钢的极限承载力增加了15%。
图5 各型钢强度下构件的荷载-跨中挠度曲线
Fig.5 Load - span deflection curve of components under different steel strength
图6 分析了受火温度600℃，取代率100%下，混凝土强度分别为40 MPa、60 MPa、80 MPa时跨中位移和荷载曲线，整体来看，在弹性阶段，极限荷载和后期阶段曲线的区别并不是很大，整体的趋势都是随着混凝土强度的增加构件的极限承载力也随之增加，与40 MPa的混凝土相比，60 MPa的混凝土极限承载提升了6%，80 MPa的混凝土的极限荷载提升了15%。并且各强度下的混凝土，在后期阶段都有较好的延性。
图6 各混凝土强度下构件的荷载-跨中挠度曲线
Fig.6 Load - span deflection curve of components at each concrete strength
引用高温后型钢再生混凝土受弯梁剩余承载力系数Kr，即：
式中：N u(t)为高温后SRRAC梁的剩余承载力；N u为常温下SRRAC梁的承载力。
图7给出了高温后型钢再生混凝土梁剩余承载力系数-受火温度的曲线。整体来看，受火温度增加的同时高温后型钢再生混凝土梁的剩余承载力系数逐渐减小。由图7(a)可得如下结论，再生粗骨料取代率小于50%时，剩余承载力系数下降明显，但是在再生粗骨料取代率大于为50%、70%、100%时，剩余承载力系数变化不明显。造成这种现象可以说明再生粗骨料可以提升型钢再生混凝土的抗火性能，这也是本文作者研究的目的。图7(b)的关于混凝土强度的剩余承载力系数-受火温度的曲线可以看出，随着再生混凝土强度的增加剩余承载力系数呈逐渐下降趋势，这是由于混凝土的强度越大，高温对再生混凝土构件的影响也就越大。图7(c)可以看出，剩余承载力系数是随着型钢屈服强度的增大也随之增大，这是因为型钢的强度大小对整个构件的承载力影响最大。图7(d)可以看出，随着截面含钢率的增加剩余承载力系数也随之增大，这是因为钢材相对于混凝土来说对构件的剩余承载力的影响更大些，含钢率的增加使得剩余承载力系数 增加。
图7 剩余承载力系数Kr-受火温度T曲线
Fig.7 Curves of residual bearing capacity coefficientsKrversus fire timeT
(1) 型钢再生混凝土的取代率对型钢再生混凝土的受弯承载力有部分影响，取代率的增加可以提升再生混凝土的受弯承载力，构件的受弯承载力主要跟受火温度有关，受火 200℃的构件受弯承载力减低了10%～15%，受火600℃的构件受弯承载力降低了20%～25%。
(2) 受火温度增加的同时，构件在弹性阶段的刚度是逐渐下降的，并且峰值荷载对应的位移是逐渐增大的，虽然构件受弯时的剩余承载力是逐渐下降的，但是构件在下降的同时表现出了良好的延性。
(3) 构件跨中应变的大小跟受火温度和混凝土强度有关，应变随着受火温度的增加以及混凝土强度的提高而减小。
(4) 通过有限元模拟的曲线与已有试验所得曲线吻合良好。从所得的曲线来看构件其弹性模量随着再生骨料取代率的增大有逐渐减小的趋势，并且取代率较小时变化比较明显。刚度还跟受火温度有关，受火时温度越长，刚度退化越明显。构件无论是常温还是高温后，都有比较好的延性。
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WORKING MECHANISM ANALYSIS OF STEEL REINFORCED RECYCLED AGGREGATE CONCRETE BEAMS AFTER HIGH TEMPERATURE
WANG Bing , YOU Hong-xu , LIU Xiao
(School of Architectural and Civil Engineering, Shenyang University, Shenyang, Liaoning 110044, China)
Abstract:In order to investigate the flexural behavior of steel recycled concrete (SRRAC) beams after high temperature, finite element model is established using ABAQUS. The temperature field and residual bearing capacity of the section are analyzed, and are compared with the experimental data. The influences of temperature,recycled coarse aggregate replacement ratio, concrete strength, yield strength, section steel ratio and shear span ratio on residual bearing capacity are analyzed. On the basis of the model, the performance of the beam is studied.The results show that the replacement rate of recycled steel concrete has partial influence on the bearing capacity of recycled steel concrete. Increase of substitution rate can increase the bearing capacity of recycled concrete. The bearing capacity of the component is mainly related to the fire temperature. The carrying capacity of the component under fire at 200 DEG C is reduced by 10%～15%, and the carrying capacity of the component under fire at 600 DEG C is reduced by 20%～25%. This study have further studied the working mechanism of recycled steel concrete after high temperature. The ultimate bearing capacity of recycled steel concrete beams can be estimated according to the replacement rate and the fire temperature.
Keywords:steel reinforced recycled aggregate concrete; after high temperature; finite element analysis;temperature field; residual bearing capacity
中图分类号：TU398.9
文献标志码：A
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2017.06.S032
文章编号：1000-4750(2018)Suppl-0161-05
收稿日期：2017-06-01；修改日期：2018-01-12
通讯作者：刘 晓(1974―)，女，沈阳人，教授，博士，从事防灾减灾研究(E-mail: liuxiao19740701@sina.com)
作者简介：王 兵(1974―)，男，沈阳人，教授，硕士，从事防灾减灾研究(E-mail: wangbing616@163.com);
尤洪旭(1992―)，男，辽宁沈阳人，硕士生，从事钢与混凝土组合结构研究(E-mail: 1361878068@qq.com).