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摘要：借助ANSYS有限元分析程序与已有的钢筋混凝土非线性分析理论，结合再生混凝土框架结构抗震性能试验，对再生混凝土框架结构的抗震性能非线性进行了分析。
关键词：框架结构；再生混凝土；非线性
经回收处理后的废弃混凝土可以用于混凝土再生产，是解决环境保护问题和基础设施建设的有效办法，其既能减少环境污染，又能减少资源浪费。当前关于混凝土再生的材料性能国内外已经相继展开了研究，但主要集中在混凝土再生构建的研究上，相对来说关于其结构性能的研究较少。本文探讨了ANSYS有限元分析程序与已有的钢筋混凝土非线性分析理论，对再生混凝土框架结构的抗震性能非线性进行了分析，对再生混凝土框架结构抗震性能进行了深入了解。
一、在ANSYS中建立有限元模型
本文所建立的是混凝土和钢筋分离式有限元模型，忽略混凝土和钢筋的粘结滑移因素，可以分别获得混凝土和钢筋的变形情况和应力，这是该模型的优点。
（1）混凝土材料模拟
在模拟过程中，采用多线性和屈服准则等向强化模型考虑混凝土的塑性发展，用单元模拟混凝土材料的塑性、弹性以及破坏等各种力学行为。混凝土的本构模型所采用的是下列适合普通混凝土的本构方程。
（2）钢筋材料模拟
在有限元模型中，单元实常数主要是用来设置钢筋初始应力和截面面积，采用单元模拟框架中的纵向钢筋压和拉行为，在该分析中初始应力为零，纵向钢筋截面积为15.39平方厘米。钢筋的弹性效应和性质采用两折线和屈服准则等向强化弹塑性模型来考虑。以下为钢筋本构关系公式：
将所得到的数据通过统计回归，得到再生粗骨料取代率r与参数a和b的关系：
（3）模型网格的划分
柱顶、粱端、跨中三等分位置在建立有限元模型时，分别设置了刚性垫块，为避免该区混凝土因应力集中而过早的发生破坏，用以分布施加在该处的集中荷载。此外，为了避免混凝土和钢筋的交界面上由于划分过小的混凝土单元，而造成混凝土过早发生破坏，施加了柱底支座的框架自重、跨中竖向荷载、位移约束、粱端水平荷载、柱端竖向荷载的有限元模型（如图一），钢筋单元（如图二）。
图一
图二
二、试验结果和计算结果对比分析
由单调加载得到的荷载位移曲线与荷载位移滞回曲线的包络线形成的骨架曲线，在低调反复荷载的作用下，是极为相似的。所以，我们可以由滞回曲线的包络线，得到在单吊荷载作用下结构的近似荷载位移曲线，为有限元模拟提供了对比的数据。另外，一些偶然因素对框架受力性能的影响可以通过反复加载进行降低，试验结果相对较为稳定，得到的荷载位移骨架曲线较为平滑。
通过在ANSYS中对上述有限元模型进行求解，在单调加载情况下可以模拟混凝土框架结构的受力性能，可以得到粱端的荷载位移曲线，以及混凝土与钢筋在受力过程中的变形和应力。
三、分析有限元计算结果
（1）在不同加载阶段混凝土和钢筋各部分的应变和应力状态，可以通过钢筋混凝土分离式模型得到。通过计算结果我们可以得出：柱端、粱端混凝土在最大荷载时可达到0.0086压应变，已经超过其极限压应变，柱端和粱端的混凝土将会发生较为严重的压溃破坏，此外与试验结果一致，梁柱端钢筋已经达到屈服，梁柱端钢筋应力全部达到448MPa。分离式模型可以查看钢筋和混凝土某点的应力随荷载变化趋势，还可以在不同荷载作用下精确地查看混凝土和钢筋的应力状态，可以提供结构细部设计的依据。
（2）柱端和粱端受拉区钢筋在最大荷载时，通过框架中钢筋的应力分布我们可以看出，都已经屈服强度，此外，与试验建构相对一致的还有，相对较小的受压区钢筋应力。
（3）通过计算模拟和试验结果的比较我们可以看出，计算模拟得到的各项指标（各组成部分的应力、荷载位移骨架曲线、结构裂缝分布、特征荷载等）都与试验结果较为吻合，这就说明，对于试验中再生混凝土框架结构所表现出的非线性性能，该有限元模型能够较好的进行模拟。主要由于混凝土和钢筋材料的非线性性能造成了结构的非线性性能，因此，对于钢筋和再生混凝土的非线性力学性能，有限元计算模型中所采用的钢筋与混凝土材料的非线性本构关系模型、相关材料参数、破坏准则的取值都做出了较为准确的反映。
（4）试件在单调荷载作用下的荷载位移骨架曲线，钢筋混凝土分离式模型能够比较准确的进行模拟。单元Solid65由于具有开裂的功能，考虑了对结构整体性能混凝土开裂造成的影响，为了更直观地确定在荷载作用下结构的危险区域，可以绘制结构裂缝的相关示意图。
（5）粱端截面上开裂混凝土拉区混凝土正应力基本为零，失去了抗拉能力。截面对称配筋，混凝土计算模型的保护厚度为5厘米，一般为10厘米左右的受压区高度，这与假定的受压区高度一般对称配筋截面设计时所取保护层厚度的两倍相同。
（6）分离式模型对于结构各个特征荷载都能够较为准确的进行模拟，相对误差一般都在5%以下，特征荷载的大部分计算值与实验值都没有过大差距。与试验结果相比各特征的荷载模拟值都普遍要小，这与结构中材料的强度实际值和材料的强度测试值的差距有关联，此外，还有一个使模拟值比试验值低的原因是分离式模型中没有考虑箍筋的影响。
总结：本文所采用的再生混凝土材料的相关材料参数数值和本构关系模型能够对再生混凝土的非线性力学特性做出较好的反映，可以用于再生混凝土结构的计算。钢筋混凝土分离式有限元模型能够描绘出与实验结果相对吻合的荷载位移骨架曲线，受力过程中的各特征荷载都能够较为准确的计算出来。能够直观的显示在不同加载阶段结构各细部的应变和应力状态，能够从宏观上反映结构的整体性能，可以分别给出荷载作用下混凝土与钢筋追加载过程和内力量值的变化规律。由于试验结果与计算结果相对吻合，所以，其可以作为结构设计的依据。
参考文献：
[1]曹万林，尹海鹏，张建伟，董宏英，张亚齐.再生混凝土框架结构抗震性能试验研究[J].北京工业大学学报，2011（02）.
[2]肖建庄，杜睿，王长青，史江涛.灾后重建再生混凝土框架结构抗震性能和设计研究[J].四川大学学报（工程科学版），2009（05）.
[3]丁淘，肖建庄，范氏鸾，王长青.预制再生混凝土框架结构整体抗震性能的设计研究[J].第三届全国再生混凝土学术交流会论文集，2012（09）.
关键词：框架结构；再生混凝土；非线性
经回收处理后的废弃混凝土可以用于混凝土再生产，是解决环境保护问题和基础设施建设的有效办法，其既能减少环境污染，又能减少资源浪费。当前关于混凝土再生的材料性能国内外已经相继展开了研究，但主要集中在混凝土再生构建的研究上，相对来说关于其结构性能的研究较少。本文探讨了ANSYS有限元分析程序与已有的钢筋混凝土非线性分析理论，对再生混凝土框架结构的抗震性能非线性进行了分析，对再生混凝土框架结构抗震性能进行了深入了解。
一、在ANSYS中建立有限元模型
本文所建立的是混凝土和钢筋分离式有限元模型，忽略混凝土和钢筋的粘结滑移因素，可以分别获得混凝土和钢筋的变形情况和应力，这是该模型的优点。
（1）混凝土材料模拟
在模拟过程中，采用多线性和屈服准则等向强化模型考虑混凝土的塑性发展，用单元模拟混凝土材料的塑性、弹性以及破坏等各种力学行为。混凝土的本构模型所采用的是下列适合普通混凝土的本构方程。
（2）钢筋材料模拟
在有限元模型中，单元实常数主要是用来设置钢筋初始应力和截面面积，采用单元模拟框架中的纵向钢筋压和拉行为，在该分析中初始应力为零，纵向钢筋截面积为15.39平方厘米。钢筋的弹性效应和性质采用两折线和屈服准则等向强化弹塑性模型来考虑。以下为钢筋本构关系公式：
将所得到的数据通过统计回归，得到再生粗骨料取代率r与参数a和b的关系：
（3）模型网格的划分
柱顶、粱端、跨中三等分位置在建立有限元模型时，分别设置了刚性垫块，为避免该区混凝土因应力集中而过早的发生破坏，用以分布施加在该处的集中荷载。此外，为了避免混凝土和钢筋的交界面上由于划分过小的混凝土单元，而造成混凝土过早发生破坏，施加了柱底支座的框架自重、跨中竖向荷载、位移约束、粱端水平荷载、柱端竖向荷载的有限元模型（如图一），钢筋单元（如图二）。
图一
图二
二、试验结果和计算结果对比分析
由单调加载得到的荷载位移曲线与荷载位移滞回曲线的包络线形成的骨架曲线，在低调反复荷载的作用下，是极为相似的。所以，我们可以由滞回曲线的包络线，得到在单吊荷载作用下结构的近似荷载位移曲线，为有限元模拟提供了对比的数据。另外，一些偶然因素对框架受力性能的影响可以通过反复加载进行降低，试验结果相对较为稳定，得到的荷载位移骨架曲线较为平滑。
通过在ANSYS中对上述有限元模型进行求解，在单调加载情况下可以模拟混凝土框架结构的受力性能，可以得到粱端的荷载位移曲线，以及混凝土与钢筋在受力过程中的变形和应力。
三、分析有限元计算结果
（1）在不同加载阶段混凝土和钢筋各部分的应变和应力状态，可以通过钢筋混凝土分离式模型得到。通过计算结果我们可以得出：柱端、粱端混凝土在最大荷载时可达到0.0086压应变，已经超过其极限压应变，柱端和粱端的混凝土将会发生较为严重的压溃破坏，此外与试验结果一致，梁柱端钢筋已经达到屈服，梁柱端钢筋应力全部达到448MPa。分离式模型可以查看钢筋和混凝土某点的应力随荷载变化趋势，还可以在不同荷载作用下精确地查看混凝土和钢筋的应力状态，可以提供结构细部设计的依据。
（2）柱端和粱端受拉区钢筋在最大荷载时，通过框架中钢筋的应力分布我们可以看出，都已经屈服强度，此外，与试验建构相对一致的还有，相对较小的受压区钢筋应力。
（3）通过计算模拟和试验结果的比较我们可以看出，计算模拟得到的各项指标（各组成部分的应力、荷载位移骨架曲线、结构裂缝分布、特征荷载等）都与试验结果较为吻合，这就说明，对于试验中再生混凝土框架结构所表现出的非线性性能，该有限元模型能够较好的进行模拟。主要由于混凝土和钢筋材料的非线性性能造成了结构的非线性性能，因此，对于钢筋和再生混凝土的非线性力学性能，有限元计算模型中所采用的钢筋与混凝土材料的非线性本构关系模型、相关材料参数、破坏准则的取值都做出了较为准确的反映。
（4）试件在单调荷载作用下的荷载位移骨架曲线，钢筋混凝土分离式模型能够比较准确的进行模拟。单元Solid65由于具有开裂的功能，考虑了对结构整体性能混凝土开裂造成的影响，为了更直观地确定在荷载作用下结构的危险区域，可以绘制结构裂缝的相关示意图。
（5）粱端截面上开裂混凝土拉区混凝土正应力基本为零，失去了抗拉能力。截面对称配筋，混凝土计算模型的保护厚度为5厘米，一般为10厘米左右的受压区高度，这与假定的受压区高度一般对称配筋截面设计时所取保护层厚度的两倍相同。
（6）分离式模型对于结构各个特征荷载都能够较为准确的进行模拟，相对误差一般都在5%以下，特征荷载的大部分计算值与实验值都没有过大差距。与试验结果相比各特征的荷载模拟值都普遍要小，这与结构中材料的强度实际值和材料的强度测试值的差距有关联，此外，还有一个使模拟值比试验值低的原因是分离式模型中没有考虑箍筋的影响。
总结：本文所采用的再生混凝土材料的相关材料参数数值和本构关系模型能够对再生混凝土的非线性力学特性做出较好的反映，可以用于再生混凝土结构的计算。钢筋混凝土分离式有限元模型能够描绘出与实验结果相对吻合的荷载位移骨架曲线，受力过程中的各特征荷载都能够较为准确的计算出来。能够直观的显示在不同加载阶段结构各细部的应变和应力状态，能够从宏观上反映结构的整体性能，可以分别给出荷载作用下混凝土与钢筋追加载过程和内力量值的变化规律。由于试验结果与计算结果相对吻合，所以，其可以作为结构设计的依据。
参考文献：
[1]曹万林，尹海鹏，张建伟，董宏英，张亚齐.再生混凝土框架结构抗震性能试验研究[J].北京工业大学学报，2011（02）.
[2]肖建庄，杜睿，王长青，史江涛.灾后重建再生混凝土框架结构抗震性能和设计研究[J].四川大学学报（工程科学版），2009（05）.
[3]丁淘，肖建庄，范氏鸾，王长青.预制再生混凝土框架结构整体抗震性能的设计研究[J].第三届全国再生混凝土学术交流会论文集，2012（09）.