鋼-連續(xù)纖維復(fù)合筋（SFCB）增強(qiáng)混凝土梁有限元參數(shù)分析

季 翔 李嘉祺 夏旸昊

（揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

鋼-連續(xù)纖維復(fù)合筋（Steel-FRP Composite Bar，簡稱SFCB）[1]是一種以鋼筋為內(nèi)芯外包縱向纖維的新型增強(qiáng)復(fù)合材料，具有強(qiáng)度高、延性好、彈性模量較高、穩(wěn)定的二次剛度及優(yōu)異的耐腐蝕性能等特點(diǎn)，用耐腐蝕的FRP 包裹普通鋼筋，可保護(hù)鋼筋不受侵蝕，提高梁的耐久性能。

羅云標(biāo)[2]對SFCB 嵌入式抗彎加固混凝土梁進(jìn)行試驗(yàn)，證明了SFCB 增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)能夠有效提高結(jié)構(gòu)的承載能力和剛度，能夠?qū)崿F(xiàn)具有良好延性的理想的破壞形式；給出了SFCB 嵌入法加固鋼筋混凝土梁正截面抗彎承載力的計(jì)算方法，試驗(yàn)值與計(jì)算值吻合較好。吳剛、羅云標(biāo)[3-4]發(fā)現(xiàn)嵌入SFCB 抗彎加固能顯著提高受彎梁正常使用階段的剛度和極限階段的承載力，且較為經(jīng)濟(jì)。孫澤陽[5]對SFCB 混凝土梁荷載-位移曲線進(jìn)行了模擬，研究SFCB 斷裂應(yīng)變及其二次剛度比、截面高寬比和等效配筋率等對截面彎矩曲率的影響，發(fā)現(xiàn)SFCB 梁截面存在最大可能曲率和兩個界限配筋率，推導(dǎo)擬合了相關(guān)計(jì)算公式。

有限元軟件ABAQUS 中的混凝土塑性損傷模型具有計(jì)算準(zhǔn)確和容易收斂的優(yōu)點(diǎn)，因此本文采用ABAQUS 對SFCB增強(qiáng)混凝土梁的受彎性能進(jìn)行模擬，并將模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證所建立的有限元模型的正確性，同時分析SFCB 增強(qiáng)混凝土梁受彎性能的影響因素，從而為進(jìn)一步進(jìn)行SFCB 增強(qiáng)混凝土梁受彎性能的研究提供依據(jù)。

1 有限元模型建立及驗(yàn)證

1.1 材料本構(gòu)關(guān)系

1.1.1 混凝土

混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線采用GB50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄C 中所給出的分段式應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€，如下圖1 所示。

圖1 混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線

1.1.2 SFCB

SFCB 本構(gòu)關(guān)系見下圖2。

1.2 有限元模型的建立

1.2.1 參數(shù)設(shè)定

試件設(shè)計(jì)尺寸為b×h×l=120 mm×180 mm×1200 mm，試件設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。ABAQUS 有限元模擬需要輸入的參數(shù)見表2、3、4。

圖2 SFCB 本構(gòu)關(guān)系

表1 試件設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 混凝土參數(shù)

表3 鋼材參數(shù)

表4 混凝土塑性參數(shù)

1.2.2 單元劃分、邊界條件及荷載施加方式

本文采用整體式建模的方式，混凝土單元采用C3D8R，SFCB 選用桁架單元T3D2。為防止模擬過程中出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，在試驗(yàn)梁加載點(diǎn)和支座處設(shè)置厚度為10mm 的鋼墊塊。邊界條件為一端約束沿X、Y、Z 軸方向的移動和繞X、Y 軸的轉(zhuǎn)動，另一端約束Y、Z 軸方向的移動和繞X、Y 軸的轉(zhuǎn)動。在梁長方向采用三分點(diǎn)位移加載。

1.2.3 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模型的正確性，將用ABAQUS 計(jì)算得到的各級荷載對應(yīng)的梁跨中撓度導(dǎo)出，選取SFCB 混凝土梁的模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比。圖3 是模擬出來的荷載-撓度曲線與試驗(yàn)得出的荷載-撓度曲線對比圖。

圖3 SFCB 梁荷載-撓度曲線模擬值與試驗(yàn)值對比圖

從圖3 可以看出，ABAQUS 和試驗(yàn)測得的結(jié)果都較好的反映了SFCB 混凝土梁受彎的全過程。ABAQUS 計(jì)算得到的荷載-撓度曲線與實(shí)測的曲線吻合較好，且屈服點(diǎn)相近。

2 SFCB 增強(qiáng)混凝土梁有限元參數(shù)分析

為了進(jìn)一步研究SFCB 增強(qiáng)混凝土梁的受彎性能，本文從改變外包纖維類型、混凝土強(qiáng)度兩方面著手，通過ABAQUS 參數(shù)分析，探究上述兩種因素對SFCB 增強(qiáng)混凝土梁受彎性能的影響。

2.1 外包纖維類型的影響

根據(jù)羅云標(biāo)[2]對4 種SFCB 單調(diào)拉伸試驗(yàn)的結(jié)果，選取直徑均為12mm 的S10B20 和S10C40 各3 根，把所測的的各項(xiàng)參數(shù)取平均值，作為本次模擬所用的SFCB 的材料參數(shù)，其力學(xué)性能如表5 所示。圖4 為只考慮SFCB 作為縱向受拉筋外包纖維類型不同，其余參數(shù)設(shè)置均和本次試驗(yàn)相同的兩根SFCB 混凝土梁的荷載-撓度曲線圖。

表5 SFCB 力學(xué)性能

圖4 不同外包纖維的SFCB 混凝土梁的荷載-撓度曲線

從圖4 可以看出，不同外包纖維類型對SFCB 增強(qiáng)混凝土梁的受彎性能影響較大。配置S10C40 的混凝土梁的屈服荷載和極限荷載都要高于配置S10B20 的混凝土梁，這與S10C40 和S10B20 所反映的力學(xué)性能相吻合。當(dāng)都達(dá)到屈服荷載后，配置S10C40 的混凝土梁剛度下降較為緩慢。相同荷載水平下，配置S10C40 的混凝土梁的撓度小于配置S10B20 的混凝土梁。達(dá)到極限荷載時，配置S10C40 的混凝土梁的撓度比配置S10B20 的混凝土梁小27.96%，說明當(dāng)內(nèi)芯鋼筋直徑相同時，外包碳纖維的S10C40 相較于外包玄武巖纖維的S10B20 剛度更大，延性更好，對混凝土梁的受彎性能更有利。

2.2 混凝土強(qiáng)度的影響

本小節(jié)選取SFCB 混凝土梁BE 為基本試件，保持模型尺寸、配筋類型、配筋率等參數(shù)不變而只考慮混凝土強(qiáng)度這一因素對SFCB 混凝土梁受彎性能的影響。混凝土強(qiáng)度分別取C30、C40、C45。圖5 為不同混凝土強(qiáng)度下的試件BE 的荷載-撓度曲線。

圖5 試件BE 在不同混凝土強(qiáng)度下的荷載-撓度曲線

從圖5 可以看出，三種混凝土強(qiáng)度下的試件的荷載-撓度曲線的發(fā)展趨勢在屈服前基本類似，開裂荷載和屈服荷載也較為接近，但極限荷載相差較大。隨著混凝土強(qiáng)度等級的提升，SFCB 混凝土梁的剛度隨之增大，且強(qiáng)度越高，剛度下降的就越緩慢。

3 結(jié)語

（1） 通過對鋼-連續(xù)纖維復(fù)合筋（SFCB） 增強(qiáng)混凝土梁進(jìn)行有限元分析，并將模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對比，說明ABAQUS 有限元模擬的合理性和可行性。

（2） 對SFCB 增強(qiáng)混凝土梁受彎性能影響因素進(jìn)行有限元參數(shù)分析，模擬結(jié)果表明：SFCB 外包纖維類型對SFCB 混凝土梁的受彎性能影響較大，且在內(nèi)芯鋼筋直徑相同時，外包碳纖維的SFCB 比外包玄武巖纖維的SFCB 性能更優(yōu)良，延性更好；混凝土強(qiáng)度越大，試件極限荷載也越大，且荷載提升的幅度隨著混凝土強(qiáng)度等級的提高而降低，隨著混凝土強(qiáng)度等級的提升，SFCB 混凝土梁的剛度隨之增大，且強(qiáng)度越高，剛度下降的就越緩慢，提高混凝土強(qiáng)度對SFCB 增強(qiáng)混凝土梁的受彎性能具有一定的改善作用。