不同纖維長徑比對鋼纖維混凝土梁抗彎性能的影響分析

李 妍 應(yīng)到亨 孫楠楠

1吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院（130118）2寒地綠色建筑技術(shù)吉林省工程研究中心（130000）3長春凈月規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司（130000）

0 引言

目前，我國是汽車擁有量大國，每年廢棄的廢舊輪胎多達(dá)十幾億條[1-2]，由于廢舊輪胎的數(shù)目驚人，銷毀和存儲成為了一個(gè)難題，為了更好的解決環(huán)保問題，將廢舊輪胎中的鋼纖維提取出來進(jìn)行實(shí)際工程研究。因?yàn)檩喬ブ泻写罅康匿摾w維，通過回收胎圈內(nèi)鋼纖維，將其進(jìn)行處理，加入到混凝土中，增強(qiáng)混凝土的抗拉、抗折和彎曲性能[3-4]。目前，國內(nèi)外學(xué)者對不同工業(yè)回收鋼纖維長徑比對鋼纖維混凝土梁抗彎性能的研究較少。文章采用數(shù)值模擬的方式，分析了不同纖維長徑比對鋼纖維混凝土梁抗彎性能的影響[5]。進(jìn)而不僅能將廢舊輪胎中的資源用到實(shí)際工程，而且保護(hù)了環(huán)境。

1 SFRC抗彎強(qiáng)度的理論研究

結(jié)合基本原理，可以將鋼纖維混凝土視為鋼纖維和混凝土的組合構(gòu)件，在構(gòu)件發(fā)生線彈性變化后混凝土發(fā)生開裂，得到亂向分布的鋼纖維混凝土的平均應(yīng)力σ與彈性模量E:

式中:σf——鋼纖維應(yīng)力（MPa）；Ef——鋼纖維的彈性模量（MPa）；Vf——鋼纖維的體積率；σm——混凝土的應(yīng)力（MPa）；Em——混凝土的應(yīng)力彈性模量（MPa）；Vm——混凝土的體積率；η——為隨機(jī)纖維的有效系數(shù)。

當(dāng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的形變達(dá)到混凝土構(gòu)件的開裂應(yīng)變時(shí)，鋼纖維混凝土的應(yīng)力達(dá)到極限抗彎強(qiáng)度fmt，即發(fā)生開裂，此時(shí)鋼纖維受到的應(yīng)力為σf=Ef·εm，由此得到鋼纖維混凝土構(gòu)件的開裂承載力:

式中:fft——鋼纖維混凝土抗彎強(qiáng)度（N/mm2）；εm——混凝土開裂應(yīng)變；fmt——基體混凝土極限抗彎強(qiáng)度（N/mm2）。

由于裂痕處鋼纖維開始發(fā)揮作用，在開裂以后基體不會直接毀壞，隨著裂痕的不斷擴(kuò)展，應(yīng)力不斷增加，直到裂縫的寬度達(dá)到一定程度時(shí)，基體中發(fā)生拉斷破壞時(shí)的有效臨界長度＞隨機(jī)分布的鋼纖維的有效長度，于是鋼纖維開始滑動，最后被拔出而發(fā)生破壞[6-7]，假設(shè)鋼纖維與混凝土之間的平均黏結(jié)應(yīng)力為τ，則此時(shí)鋼纖維所受的應(yīng)力為:

根據(jù)復(fù)合材料的力學(xué)原理，兩種類型的組合可用于計(jì)算鋼纖維混凝土的抗彎強(qiáng)度公式:

式中:fm——基體混凝土的強(qiáng)度；Vf——鋼纖維的體積率；lf/df——鋼纖維的長徑比；τ——鋼纖維與基體間的黏結(jié)應(yīng)力；η——鋼纖維在混凝土基體中的散布特征。

文章主要研究不同鋼纖維長徑比對鋼纖維混凝土梁抗彎強(qiáng)度的影響。因此，不同長徑比的鋼纖維混凝土梁均采用體積率為1%的平直形鋼纖維，依次得到不同長徑比的鋼纖維混凝土梁的極限承載力[8]，通過與素混凝土梁進(jìn)行對比分析，得出相應(yīng)結(jié)論。

2 回收鋼纖維混凝土梁抗彎性能數(shù)值模擬分析

2.1 工程概況

本次數(shù)值模擬采用橫截面為150 mm×350 mm，跨度為2 500 mm的素混凝土梁，采用C40混凝土，HRB400鋼筋，箍筋采用C6@150 mm，梁內(nèi)受拉縱筋2C20 mm，鋼筋保護(hù)層厚度為25 mm，在梁的兩端施加固定端約束?；炷恋膹椥阅Ａ咳?.25×104MPa，泊松比取0.2，鋼筋彈性模量取MPa，泊松比取0.3。采用平直形鋼纖維，鋼纖維的彈性模量與泊松比與鋼筋取值相同。鋼纖維的抗拉強(qiáng)度為1 700 MPa，鋼纖維的體積摻量為1%。在Abaqus軟件中建立一個(gè)截面為150 mm×350 mm，長為2 500 mm的梁作為基體[9]

2.2 在集中荷載作用下的求解

在Abaqus軟件上進(jìn)行模擬，得到素混凝土DAMAGET云圖以及位移-應(yīng)力曲線，如圖1所示。

圖1 鋼筋混凝土梁DAMAGET云圖與位移-應(yīng)力曲線

回收鋼纖維長徑比為20的鋼纖維混凝土梁DAMAGET云圖以及位移-應(yīng)力曲線，如圖2所示。

圖2 回收鋼纖維長徑比為20的鋼纖維混凝土梁DAMAGET云圖以及位移-應(yīng)力曲線

回收鋼纖維長徑比為30的鋼纖維混凝土梁DAMAGET云圖以及位移-應(yīng)力曲線，如圖3所示。

圖3 回收鋼纖維長徑比為30的鋼纖維混凝土梁DAMAGET云圖以及位移-應(yīng)力曲線

回收鋼纖維長徑比為40的鋼纖維混凝土梁DAMAGET云圖以及位移-應(yīng)力曲線，如圖4所示。

圖4 回收鋼纖維長徑比為40的鋼纖維混凝土梁DAMAGET云圖以及位移-應(yīng)力曲線

由圖中數(shù)據(jù)可得，同素混凝土梁相比，長徑比為20的鋼纖維混凝土梁極限承載力提升了11.8%；同長徑比為20的鋼纖維混凝土梁相比，長徑比為30的鋼纖維混凝土梁極限承載力提升了6.8%；同長徑比為30的鋼纖維混凝土梁相比，長徑比為40的鋼纖維混凝土梁極限承載力提升了6.3%。摻入鋼纖維的混凝土梁抗彎性能有著明顯的提升，不同長徑比對混凝土梁抗彎性能也有著不同的影響，隨著長徑比的增大，混凝土的抗彎性能也隨之提升，纖維長徑比為40的梁極限承載力最大。

相對于長徑比小的纖維，總體上長徑比大的纖維增強(qiáng)效果更好。加入直型鋼纖維的混凝土的增強(qiáng)效果明顯優(yōu)于素混凝土?；厥珍摾w維的摻入使得混凝土內(nèi)部形成三維受力骨架，混凝土主要承擔(dān)了外部的荷載，而鋼纖維則更好的將所受的應(yīng)力均勻的傳遞開來，由于鋼纖維與混凝土有很好的黏結(jié)作用，抑制了由于外力產(chǎn)生的細(xì)微裂縫，同時(shí)也更加合理的將應(yīng)力傳遞均勻，同時(shí)能夠吸收一部分應(yīng)力的集中。

3 結(jié)論

文章通過對不同長徑比的鋼纖維混凝土梁進(jìn)行了有限元模擬分析,研究不同纖維長徑比對梁的抗彎性能的影響,通過對比分析得出了以下結(jié)論:

1）混凝土梁為兩端固定，頂部施加兩個(gè)集中力，當(dāng)鋼纖維混凝土梁中回收鋼纖維長徑比為20時(shí)，鋼纖維混凝土梁的應(yīng)力、位移變化較普通鋼筋混凝土梁有所增加。當(dāng)鋼纖維混凝土梁中回收鋼纖維長徑比為30時(shí)，其應(yīng)力、位移的變化較長徑比為20的鋼纖維混凝土梁有所增加。當(dāng)鋼纖維混凝土梁中回收鋼纖維長徑比為40時(shí)，鋼纖維混凝土梁的應(yīng)力、位移變化達(dá)到最佳狀態(tài)。

2）通過有限元模擬可得，加入鋼纖維的混凝土，其抗彎性能有明顯的提升，不同長徑比的鋼纖維對梁抗彎性能有著不同的影響。通過回收鋼纖維，不僅能加強(qiáng)梁的抗彎性能，還對廢舊輪胎進(jìn)行回收再利用，充分解決了我國廢舊輪胎存儲、銷毀這一難題，為工業(yè)回收鋼纖維更好的應(yīng)用于實(shí)際工程提供了理論基礎(chǔ)。