數(shù)值模擬柔性纖維鋼筋混凝土箱梁破壞過(guò)程分析

劉強(qiáng)

（河北省交通運(yùn)輸運(yùn)行監(jiān)測(cè)與信息服務(wù)中心，河北 石家莊 050031）

0 引言

在柔性纖維鋼筋混凝土箱梁破壞過(guò)程中，荷載大小和纖維摻入量都會(huì)影響箱梁整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，針對(duì)此類(lèi)問(wèn)題，許多專(zhuān)家學(xué)者對(duì)此開(kāi)展了研究。張延年[1]等人為研究聚丙烯纖維對(duì)混凝土強(qiáng)度和拉壓比的影響，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)方法對(duì)不同纖維長(zhǎng)度和纖維摻量的混凝土立方體進(jìn)行劈裂抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在纖維摻量為0%～0.1%區(qū)間時(shí)，聚丙烯纖維混凝土立方體抗壓比隨之變大，而在纖維摻量為0.1%～0.25%區(qū)間時(shí)，聚丙烯纖維混凝土立方體抗壓比隨之變?。?2mm聚丙烯纖維混凝土拉壓比大于6mm聚丙烯纖維混凝土拉壓比，同時(shí)比基準(zhǔn)混凝土提高了5.5%，說(shuō)明聚丙烯纖維可以明顯提高混凝土的韌性，改善混凝土脆性破壞形態(tài)。潘超[2]等人為分析聚丙烯纖維對(duì)混凝土的影響，建立本構(gòu)模型并分析其力學(xué)性能，研究指出，在混凝土中摻入一定比例的聚丙烯纖維可有效抑制混凝土開(kāi)裂，不僅能改善混凝土的變形性能，還可提高混凝土延性，當(dāng)聚丙烯纖維摻量為0.9%、水灰比為0.65時(shí)，低彈模混凝土的抗裂、防滲性能達(dá)到最優(yōu)。張悅[3]以聚丙烯纖維混凝土為研究對(duì)象，分析了不同摻量下不同養(yǎng)護(hù)齡期聚丙烯纖維混凝土的整體穩(wěn)定性能，研究發(fā)現(xiàn)，水利工程中纖維摻量通常為0.9kg/m3，添加聚丙烯纖維可以增強(qiáng)混凝土的抗壓起裂縫、壓縮韌性、破壞能、混凝土抗壓強(qiáng)度、軸壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度，有利于增強(qiáng)拌和物的保水性和黏聚性，并改善提升混凝土的脆性及其延展性。

為此，本文在既有研究成果的基礎(chǔ)上[4-8]，研究柔性纖維鋼筋混凝土箱梁破壞過(guò)程，通過(guò)對(duì)柔性纖維鋼筋混凝土箱梁破壞過(guò)程開(kāi)展理論分析，并基于Midas/FEA有限元軟件模擬柔性纖維鋼筋混凝土箱梁破壞過(guò)程數(shù)值，分別分析底板跨中縱向應(yīng)變和撓度，以及不同纖維摻量對(duì)箱梁承載能力的影響，以期為行業(yè)發(fā)展提供參考和借鑒。

1 模型假設(shè)

為了更方便地分析柔性纖維混凝土箱梁的力學(xué)性能，模型按照縮尺箱梁1:1的比例建立，長(zhǎng)度2.5m，高0.3m，板底0.38m，高0.75m，端部到離端部1.5m處均為實(shí)心，離端部1.5m至4.5m處為漸變段，翼板邊緣厚度為0.3m。運(yùn)用幾何相似常數(shù)，在縱向上，縮尺箱梁橫截面依據(jù)同一原型結(jié)構(gòu)半跨中斷面簡(jiǎn)化后的1/10尺寸設(shè)計(jì)，要求箱梁各板厚度小于等于3cm，整個(gè)截面中最薄處為2cm，由于簡(jiǎn)化后的截面沒(méi)有對(duì)應(yīng)實(shí)施倒圓角處理，易導(dǎo)致應(yīng)力過(guò)度集中，造成縮尺箱梁易在承受荷載時(shí)被破壞，所以需要在最終半跨中斷面簡(jiǎn)化后1/10尺寸的基礎(chǔ)上再乘以1.5的安全系數(shù)，以防止承載后支座反力破壞箱梁結(jié)構(gòu)。關(guān)于材料的選擇：混凝土材料采用容重為25kN/m2、泊松比為0.25的C55混凝土材料；縱向鋼筋為HRB400型號(hào)鋼筋，公稱(chēng)直徑為6mm，容重為79kN/m2，泊松比為0.3，公稱(chēng)面積為28.30mm2，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)為400MPa。

借助Midas/FEA軟件建模的同時(shí)采用映射網(wǎng)格方法，先畫(huà)出箱梁各控制截面的半對(duì)稱(chēng)橫截面尺寸，再移動(dòng)到對(duì)應(yīng)的控制截面所在位置；通過(guò)二維線(xiàn)放樣、拓展等操作，直到得出模型實(shí)體，其中二分之一實(shí)體只有輪廓圖；在使用網(wǎng)格線(xiàn)劃分前先打斷一些線(xiàn)條，再用3D直線(xiàn)把截面劃分成塊，接著布點(diǎn)，最后利用映射網(wǎng)格K線(xiàn)面將各截面劃分成二維網(wǎng)格；在二維網(wǎng)格的基礎(chǔ)上，通過(guò)延伸和填充等操作即可生成三維實(shí)體網(wǎng)格，然后鏡像形成整個(gè)箱梁模型的3D網(wǎng)格圖；為了方便繪畫(huà)鋼筋結(jié)構(gòu)，可先隱藏網(wǎng)格，再利用直線(xiàn)工具扣除兩端鋼筋3cm的混凝土保護(hù)層，畫(huà)出一條長(zhǎng)度為2.5米的縱向鋼筋，在頂板設(shè)置14根鋼筋，地板設(shè)置17根鋼筋，兩側(cè)腹板各設(shè)置12根鋼筋，共計(jì)55根。

2 數(shù)值模擬

計(jì)算模型和縮尺鋼筋混凝土箱梁應(yīng)保持一致。試驗(yàn)中，聚丙烯纖維摻量分別為0%、0.1%和0.3%，通過(guò)軟件模擬計(jì)算可以得出箱梁承載力、撓度、應(yīng)變等數(shù)據(jù)。

2.1 不同纖維摻量對(duì)箱梁承載能力的影響

設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)最大荷載為238kN，為了更加方便地收集數(shù)據(jù)并測(cè)試箱梁承載力，試驗(yàn)加載的最大荷載為400kN，經(jīng)過(guò)軟件模擬得到不同纖維摻量箱梁及無(wú)纖維摻量時(shí)的荷載因子和承載能力，結(jié)果如表1和圖1所示。

圖1 箱梁承載力隨不同聚丙烯纖維摻量的變化圖

表1 不同纖維摻量箱梁的承載能力

從表1和圖1分析可得，摻入聚丙烯纖維的鋼筋混凝土箱梁的最大承載力比未摻入聚丙烯纖維強(qiáng)，且隨著纖維摻量的增加，箱梁承載能力也呈逐步變大的趨勢(shì)，進(jìn)而可以說(shuō)明，摻入聚丙烯纖維能夠大幅提升鋼筋混凝土箱梁的承載能力。

2.2 分析底板跨中縱向應(yīng)變

在最大設(shè)計(jì)荷載238kN加荷的基礎(chǔ)上，荷載因子按照0.1個(gè)單位遞增，按照多個(gè)加荷步驟來(lái)增加荷載，分別比較0%、0.1%和0.3%摻量聚丙烯纖維鋼筋混凝土箱梁在不同步驟下的地板跨中縱向應(yīng)變值變化情況，結(jié)果如表2和圖2所示。

圖2 不同纖維摻量箱梁底板跨中縱向應(yīng)變隨荷載因子的變化圖

表2 不同纖維摻量箱梁底板中位置在各荷載下的縱向應(yīng)變值（單位：με）

分析表2和圖2可知，聚丙烯纖維混凝土箱梁底板跨中縱向應(yīng)變會(huì)隨荷載增加而增大，沒(méi)有摻加纖維的混凝土應(yīng)變比摻入纖維的混凝土變化速度大且迅速，但隨著纖維量的提高，變化會(huì)趨慢；隨著荷載增加，不同摻量的聚丙烯纖維箱梁底板跨中位置的縱向應(yīng)變也會(huì)隨之增加，且增速越來(lái)越快。進(jìn)而可以得出，在相同荷載作用下，摻入聚丙烯纖維可提高箱梁的縱向剛度，并減少跨中縱向伸長(zhǎng)量。

2.3 分析地板跨中橫向應(yīng)變

在最大設(shè)計(jì)荷載238kN加荷的基礎(chǔ)上，荷載因子以0.1個(gè)單位遞增，并按照多個(gè)加荷步驟增加荷載，分別比較聚丙烯纖維摻量為0%、0.1%和0.3%時(shí)，鋼筋混凝土箱梁地板跨中橫向應(yīng)變值變化情況，結(jié)果如表3和圖3所示。

圖3 不同纖維摻量箱梁底板跨中橫向應(yīng)變隨荷載因子的變化

表3 不同纖維摻量箱梁底板中位置在各荷載下的橫向應(yīng)變值（單位：με）

分析表3和圖3可知，纖維混凝土箱梁底板跨中橫向應(yīng)變會(huì)隨著荷載增加而增大，未摻加纖維的混凝土應(yīng)變比摻入纖維的混凝土變化速度大且迅速，但隨著纖維含量的提高，應(yīng)變變化會(huì)趨緩；隨著荷載增加，不同摻量的聚丙烯纖維箱梁底板跨中位置的橫向應(yīng)變也會(huì)隨之增加，且增速越來(lái)越快。進(jìn)而可以得出，在相同荷載作用下，摻入聚丙烯纖維可提高箱梁的橫向剛度，并減少跨中縱向伸長(zhǎng)量。

2.4 分析底板跨中撓度

在最大設(shè)計(jì)荷載238kN加荷的基礎(chǔ)上，荷載因子以0.1個(gè)單位遞增，并按照多個(gè)加荷步驟增加荷載，分別比較聚丙烯纖維摻量為0%、0.1%和0.3%時(shí)，鋼筋混凝土箱梁底板跨中位置處，不同荷載作用下對(duì)應(yīng)的撓度值，結(jié)果如表4和圖4所示。

圖4 不同纖維摻量箱梁跨中撓度隨荷載的變化圖

表4 各纖維摻量縮尺箱梁在各加載荷載下的底板中部撓度值（單位：mm）

分析表4和圖4可知，隨著荷載增加，纖維混凝土箱梁底板跨中豎向撓度也隨之增大，0.0%纖維含量混凝土的變化趨勢(shì)大于0.1%纖維含量的混凝土和0.3%纖維含量的混凝土，同時(shí)，隨著纖維摻量的增加，撓度變化則逐漸趨緩；隨著荷載增加，不同摻量的聚丙烯纖維箱梁底板跨中位置的豎向撓度都呈現(xiàn)出上升變化，且速度越來(lái)越快。進(jìn)而可以得出，纖維摻量很大程度上可以減少箱梁的撓度變形。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文運(yùn)用理論知識(shí)結(jié)合有限元軟件建立相對(duì)應(yīng)的有限元模型來(lái)模擬分析柔性纖維鋼筋混凝土箱梁破壞過(guò)程。研究結(jié)果表明，摻入聚丙烯纖維的鋼筋混凝土箱梁比未摻入聚丙烯纖維的最大承載力更強(qiáng)；摻入聚丙烯纖維能夠大幅提升鋼筋混凝土箱梁的承載能力；纖維混凝土箱梁底板跨中縱向與橫向應(yīng)變會(huì)隨著荷載的增加而增大，應(yīng)變變化會(huì)隨纖維含量的提高而趨慢。在同樣荷載作用下，摻入聚丙烯纖維可提高箱梁縱向與橫向剛度，同時(shí)可減少跨中縱向與橫向的伸長(zhǎng)量。隨著荷載增加，不同摻量的聚丙烯纖維箱梁底板跨中位置的縱向與橫向應(yīng)變也隨之增加，且增速越來(lái)越快；隨荷載增加，纖維混凝土箱梁底板跨中豎向撓度也隨之增大，且隨著纖維摻量增加，撓度變化逐漸趨緩；隨荷載增加，不同摻量的聚丙烯纖維箱梁底板跨中位置的豎向撓度都呈上升變化，且速度越來(lái)越快，由此可知，摻入纖維可以很大程度上減少箱梁的撓度變形。