混雜纖維自密實(shí)混凝土梁受彎性能有限元分析★

杜麗君 張?chǎng)卧?蘇仙山 方光秀*

(延邊大學(xué)工學(xué)院，吉林 延吉 133002)

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混雜纖維自密實(shí)混凝土梁受彎性能有限元分析★

杜麗君 張?chǎng)卧?蘇仙山 方光秀*

(延邊大學(xué)工學(xué)院，吉林 延吉 133002)

利用ANSYS有限元軟件，研究了玄武巖纖維和聚丙烯纖維不同摻量對(duì)自密實(shí)混凝土梁在屈服狀態(tài)下應(yīng)力和跨中撓度的影響，并給出了相關(guān)回歸方程，得到了最佳纖維組合摻量，為混雜纖維自密實(shí)混凝土梁抗彎性能的試驗(yàn)研究提供參考。

自密實(shí)混凝土，纖維，撓度，抗彎性能，回歸方程

0 引言

纖維混凝土有效改善了混凝土的各項(xiàng)性能，尤其是其韌性、抗沖擊性和抗裂抗?jié)B性[1]。自密實(shí)混凝土避免了由振搗不足引起的混凝土澆筑質(zhì)量缺陷狀況。但由于自密實(shí)混凝土漿料含量大，水膠比低，其早期裂縫問(wèn)題較為嚴(yán)重[2，3]。

為克服這一缺點(diǎn)，可在自密實(shí)混凝土中加入適當(dāng)纖維，既提高了混凝土的強(qiáng)度和韌性，又限制了混凝土的早期收縮[2]。但只加入一種纖維對(duì)混凝土力學(xué)性能的提高還具有一定的局限性，為了更全面地改善混凝土的各項(xiàng)性能，考慮在混凝土中加入多種纖維[4]。目前對(duì)于混雜纖維自密實(shí)混凝土的研究較少。就此，本文改變自密實(shí)混凝土中玄武巖纖維和聚丙烯纖維的不同摻量，并利用有限元分析不同纖維摻量組合對(duì)自密實(shí)鋼筋混凝土梁應(yīng)力和屈服撓度的影響，為混雜纖維自密實(shí)混凝土梁抗彎性能的試驗(yàn)研究提供理論參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

共設(shè)置5根梁，梁長(zhǎng)度均為1 500 mm、凈跨1 200 mm、截面尺寸為120 mm×180 mm。梁內(nèi)縱向受拉鋼筋采用2根直徑為20 mm的HRB400熱軋鋼筋，箍筋及上部架立筋采用2根直徑為8 mm的HRB335熱軋鋼筋。梁試件構(gòu)造如圖1所示。

本文對(duì)自密實(shí)混凝土梁設(shè)計(jì)玄武巖纖維摻量為0 kg/m3,1.325 kg/m3,2.65 kg/m3等3個(gè)變量，并設(shè)計(jì)聚丙烯纖維摻量為0 kg/m3,0.1 kg/m3,0.2 kg/m3等3個(gè)變量。試驗(yàn)梁參數(shù)設(shè)計(jì)方案如表1所示。

表1 試驗(yàn)梁參數(shù)設(shè)計(jì)方案

2 有限元模型建立

2.1 單元類型的選擇

采用分離式模型將混凝土和鋼筋作為不同的單元來(lái)處理。混凝土采用Solid65單元類型，鋼筋采用Link8單元模擬[5]。本文在梁的支撐處和加載處設(shè)置50 mm×120 mm的模擬剛性墊板以避免應(yīng)力集中。試件的有限元網(wǎng)格劃分及鋼筋單元如圖2所示。

2.2 本構(gòu)關(guān)系選擇

1)混凝土本構(gòu)關(guān)系。

a.混凝土采用過(guò)鎮(zhèn)海教授提出的分段表達(dá)式[6]：

(1)

其中，x=ε/ε0;y=σ/σ0(σ0為混凝土應(yīng)力—應(yīng)變曲線的峰值應(yīng)力；ε0為峰值應(yīng)力時(shí)的應(yīng)變)；參數(shù)α取值范圍為1.5～3.0；β處于大于0.4的范圍。

b.研究表明，纖維混凝土本構(gòu)曲線與普通混凝土的軸心受壓應(yīng)力—應(yīng)變曲線在形狀上沒(méi)有太大的差別[7，8]。因此，上述本構(gòu)關(guān)系同樣適用于纖維混凝土。

2)鋼筋的本構(gòu)關(guān)系。

混雜纖維自密實(shí)混凝土梁鋼筋采用理想彈塑性模型，其本構(gòu)關(guān)系按GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范確定，即：

(2)

其中，ES為鋼筋彈性模量;εy為鋼筋屈服應(yīng)變;fy為鋼筋屈服應(yīng)力。

3 有限元模擬結(jié)果與分析

3.1 等效屈服應(yīng)力云圖

混雜纖維自密實(shí)混凝土梁和鋼筋等效屈服應(yīng)力云圖如圖3,圖4所示。

由圖3，圖4可看出，屈服時(shí)梁內(nèi)最大壓應(yīng)力均在跨中上部受壓區(qū)，鋼筋最大拉應(yīng)力均在下部受拉區(qū)。

只摻入玄武巖纖維會(huì)使梁可承擔(dān)的屈服荷載減小，在此基礎(chǔ)上固定其中一種纖維的摻量，梁的最大應(yīng)力隨著另一種纖維摻量的增加而逐漸增加，到達(dá)適當(dāng)纖維摻量組合時(shí)，其最大應(yīng)力減小，但仍比不摻纖維時(shí)的自密實(shí)混凝土大。

3.2 不同纖維摻量組合對(duì)梁跨中撓度的影響

如圖5所示，固定玄武巖纖維摻量為1.325 kg/m3時(shí)，混加兩種纖維梁的屈服撓度均比單摻玄武巖纖維梁的屈服撓度小。說(shuō)明合理的纖維摻量會(huì)大幅增強(qiáng)混凝土的韌性，提高梁的抗彎性能。

將圖5的曲線變化規(guī)律用y=ax2+bx+c擬合，聚丙烯纖維摻量與梁屈服時(shí)的跨中撓度回歸方程為y=19.15x2-5.555x+4.428，擬合度R2=1。其中,y為跨中屈服撓度；x為玄武巖纖維摻量,為1.325 kg/m3，聚丙烯纖維摻量分別為0 kg/m3，0.1 kg/m3，0.2 kg/m3；a，b，c均為回歸系數(shù)。

4 結(jié)論

本文通過(guò)ANSYS有限元分析，研究了5種不同纖維摻量組合對(duì)自密實(shí)混凝土梁在屈服狀態(tài)下應(yīng)力和撓度的影響。研究結(jié)果表明：

1)合理的纖維摻量組合可提高梁內(nèi)最大壓應(yīng)力，增強(qiáng)其承擔(dān)屈服荷載的能力。本文最佳纖維摻量組合為玄武巖纖維摻量1.325 kg/m3，聚丙烯纖維摻量0.1 kg/m3。

2)摻入適量纖維能有效提高自密實(shí)混凝土梁的抗彎性能，且混雜纖維自密實(shí)混凝土梁的屈服撓度比單摻玄武巖纖維自密實(shí)混凝土梁的屈服撓度分別減小8.2%,7.8%,8.0%。

3)固定玄武巖纖維摻量為1.325 kg/m3時(shí)，聚丙烯纖維摻量與屈服時(shí)跨中撓度的回歸方程為y=19.15x2-5.555x+4.428。

[1] 王志釗.聚丙烯纖維混凝土綜合性能試驗(yàn)研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2004.

[2] 駱冰冰.混雜纖維自密實(shí)混凝土的性能研究[D].大連:大連交通大學(xué)，2012.

[3] 何小兵，卓 儀.聚丙烯纖維自密實(shí)混凝土工作性及強(qiáng)度性能研究[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2012(12):1137-1140.

[4] 崔 昭.鋼—PVA混雜纖維混凝土動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型及其有限元分析[D].南京：華南理工大學(xué)，2016.

[5] 張海龍.鋼纖維高強(qiáng)再生混凝土梁抗彎性能試驗(yàn)研究[D].延吉：延邊大學(xué)，2016.

[6] 過(guò)鎮(zhèn)海，時(shí)旭東.鋼筋混凝土原理與分析[M].北京:清華大學(xué)出版社，2003.

[7] 張?jiān)?鋼—聚丙烯混雜纖維混凝土單軸受壓本構(gòu)關(guān)系與受拉性能研究[D].武漢：武漢大學(xué)，2010.

[8] 陳 萌.玄武巖纖維橡膠再生混凝土—BFRRBC—基本性能及應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系[D].鄭州：華北水利水電大學(xué)，2015.

Finite element analysis of hybrid fiber reinforced self-compacting concrete beam flexural properties★

Du Lijun Zhang Xinyue Su Xianshan Fang Guangxiu*

(CollegeofEngineering,YanbianUniversity,Yanji133002,China)

Using the ANSYS finite element analysis, the author researched the effects of the different dosage of basalt fiber and polypropylene fiber on the stress mid-span moment of the self-compacting concrete beam which was in the yield state in this experiment. The regression equation would be given in this paper and the best combination of fiber content, which can provide references for the relevant experimental study on flexural behavior of hybrid fiber reinforced self-compacting concrete beam.

self-compacting, fiber, deflection, flexural properties, regression quation

1009-6825(2017)14-0104-03

2017-03-08★:延邊大學(xué)科技發(fā)展計(jì)劃校企合作項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：602015001)

杜麗君(1997- )，女，在讀本科生； 張?chǎng)卧?1995- )，女，在讀本科生； 蘇仙山(1992- )，男，在讀本科生

方光秀(1967- )，男，博士，教授

TU528.572

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