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摘要：超高性能混凝土（UHPC）是21世纪备受关注的热门材料之一，本文将用ANSYS workbench来模拟两根不同强度UHPC梁受弯时的破坏形态，促进超高性能混凝土梁在实际工程中的推广和应用，本文通过屈服模型加软化模型来实现混凝土的本构，通过位移加载来模拟两根梁三等分点弯曲试验破坏的整个过程，由数值模拟得出的变形和力反应绘制荷载位移曲线，由应力云图分析两根梁的破坏形态，揭示了不同强度的超高性能混凝土梁在受弯时的力学性能，为超高性能混凝土梁的应用提供基础。

关键词：UHPC梁;ANSYS workbench;荷载位移曲线

1研究背景及意义

普通钢筋混凝土结构因其取材方便、整体性好、可模性好、耐火性好，在现代工程中得到了广泛的应用，无论是建筑工程、交通土建工程、市政工程、水利工程还是地基与基础都离不开钢筋混凝土结构，但其缺点也很明显，自重大、抗裂性差、易脆断、模板用量大等缺点限制了钢筋混凝土在超高层以及大跨度结构中的应用。因此，引入超高性能混凝土（Ultrahigh Performance concrete，UHPC），用以代替混凝土在结构中的作用，弥补混凝土的缺陷。

超高性能混凝土（Ultrahigh Performance Concrete，UHPC）的设计基于最大堆积密度理论（Densified Particle Packing），按照不同的粒径颗粒，以最佳比例形成最紧的密堆积的高性能材料。基于其材料结构特点，UHPC 具有超高强度（≥150 MPa）和良好的耐久性能[1]。由于UHPC强度极高，承受相同的外力，其横截面积会比普通混凝土小一倍以上，故能极大程度的减轻结构自重。

钢筋与UHPC的组合轻质高强，耐久性好，但是两者的弹性模量并不相近，有别于普通的钢筋混凝土。通过查阅文献，发现用有限元软件来处理UHPC静力学问题是一种可行的手段。ANSYS workbench（WB）是新一代的CAE分析环境和应用平台，它提供了统一的开发和管理CAE信息的工作环境，提供了高级别功能的易用性。

本文通过WB模拟了两根不同强度的UHPC梁的加载试验，以绘制出不同强度下UHPC梁的荷载-位移曲线。整个过程未考虑剪切滑移，UHPC的极限抗压强度分别为58MPa和68MPa。

2几何结构

由于梁是对称的，所以采取如下方案来加快运算速度，通过几何结构板块绘制1/4根梁，进入模型板块进行计算，最后再用对称区域来完成整根梁的计算。整根梁全长2000mm，内设受拉钢筋、受压钢筋以及箍筋，共有箍筋19根，箍筋间距为100mm，直径为8mm。上部受压钢筋以及箍筋采用HPB300级钢筋，下部受拉钢筋采用HRB400级钢筋，下部钢滚筒和加筋肋采用摩擦连接，摩擦系数为0.2。其他部位连接均采用共享拓扑关系。详图如下

3材料输入

在ANSYS APDL中无法准确定义混凝土的下降段，在WB得到了解决，通过屈服模型+软化模型可以完整的定义混凝土本构，屈服模型定义屈服准则，包括DPC（Druckper-Prager Concrete）和MWC（Menetrey-Willam Concrete）;软化模型定义本构曲线，包括HSD2和HSD6，HSD2为幂函数和指数函数本构曲线，HSD6为线性本构，本文采用MWC+HSD6来定义UHPC本构。材料参数均取自于湖南大学组织编写的《活性粉末混凝土结构技术规程》征求意见稿[2]。

钢筋采用理想弹塑性本构，加筋肋和下部钢滚筒也是钢材，但是只考虑弹性模量和泊松比。

4网格划分

UHPC梁和加筋肋的单元尺寸为25mm，钢滚筒的单元尺寸为3mm，钢筋的模型类型为强化，网格单元的阶为一阶线性。

5荷载与约束

对梁底部的滚筒施加固定支撑约束，对梁上部的加筋肋采用位移加载，位移为6mm，时间为1s，方向垂直向下。

6求解

6.1荷载位移曲线

通过有限元软件的试算求解，得出了UHPC梁的荷载位移曲线，如图5.1所示，在施加荷载初期，荷载与位移程线性增长，进入弹塑性阶段后，相比于位移的增速，荷载的增速有所下降，随后达到荷载的极值点，此时荷载开始逐渐下降，试件不能继续承担施加的荷载，但位移依旧持续增加。标准抗压强度为68MPa的UHPC梁极限荷载要大于58MPa的梁对应的极限荷载，但极限荷载对应的位移却小于后者。

6.2应力云图对比

下图为不同强度超高性能混凝土梁对应的应力云图，由图可见当支反力为151.94kN时UHPC68对应的梁开始出现第一条裂缝。随着荷载的增加，裂缝逐渐向上发展，当支反力为227.22kN时开始出现斜裂缝，跨中部分的裂缝暂时不再向上发展。荷载继续增加，斜裂缝继续发展，当斜裂缝发展到一定程度时，支反力达到最大，最大值为265.75kN，此时斜裂缝不再发展。随着位移的增加荷载逐渐减小，跨中裂缝向上蔓延，最终裂缝贯穿整个截面，梁体破坏。UHPC58对应的梁其开裂荷载和极限承载力均略小于UHPC68。

7结论

本文建立了不同强度UHPC对应的无腹筋简支梁的数值模拟，并对比分析了两者的荷载位移曲线和应力云图。

通过数值模拟，总结出了以下两点规律：

（1）随着UHPC强度等级的提升，简支梁中裂缝条数逐渐减少，开裂荷载逐渐增大;

（2）在workbench中，用屈服模型+软化模型可以完整定义UHPC的本构;

参考文献

[1]周红梅. 超高性能凝土（UHPC）试验及应用研究[J].预应力技术，2009，（06）：26-29.

[2]方志. 活性粉末混凝土结构技术规程.湖南大学，20173.3.1：7-53.

[3]文中关于混凝土本构的定义方式来自于B站UP主水哥ANSYS的教学视频.