FRP 筋增強(qiáng)鋼-ECC 組合梁負(fù)彎矩區(qū)力學(xué)性能研究

左海平,張 釗,梁慶慶,賴世錦,甘珠成

（柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣西 柳州 545616）

0 引言

由于波紋鋼腹板組合梁具有抗剪能力強(qiáng)等特點(diǎn)[1-2]，近年來在鋼—混凝土組合梁中得到了廣泛的應(yīng)用。但在組合梁橋的負(fù)彎矩區(qū)，混凝土橋面板容易受拉而開裂，從而降低結(jié)構(gòu)的承載力和耐久性[3]。因此，研究波紋鋼腹板組合梁在負(fù)彎矩作用下的力學(xué)性能是非常必要的。

纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料（Fiber Reinforced Polymer，F(xiàn)RP）具有輕質(zhì)高強(qiáng)、施工便捷、耐腐蝕性和耐久性好等優(yōu)點(diǎn)[4]。將FRP 筋代替普通鋼筋可以避免普通鋼—混凝土組合梁中鋼筋銹蝕而引起結(jié)構(gòu)承載力下降等問題。

纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料（Engineered Cementitious Composite，簡(jiǎn)稱ECC）是一種具有非常好的韌性、抗裂性的新型建筑材料[5]，F(xiàn)RP 筋與ECC 復(fù)合使用，可以代替組合梁負(fù)彎矩區(qū)的鋼筋混凝土，從根本上解決負(fù)彎矩區(qū)組合梁容易開裂的問題。

截至目前，關(guān)于FRP 筋與ECC 復(fù)合使用在波紋鋼腹板組合梁負(fù)彎矩區(qū)的研究非常有限，相關(guān)參數(shù)研究也不夠全面。因此，有必要對(duì)FRP 筋增強(qiáng)波紋鋼腹板-ECC組合梁負(fù)彎矩區(qū)進(jìn)行參數(shù)化研究。

該文通過有限元分析了FRP 筋增強(qiáng)波紋鋼腹板-ECC 組合梁負(fù)彎矩區(qū)的力學(xué)性能，探討了ECC 強(qiáng)度、BFRP 筋配筋率和波紋鋼腹板強(qiáng)度等因素對(duì)FRP 筋增強(qiáng)波紋鋼腹板-ECC 組合梁負(fù)彎矩區(qū)力學(xué)性能的影響，為FRP 筋增強(qiáng)波紋鋼腹板-ECC 組合梁在工程中的應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

該文對(duì)武芳文等[5]開展的FRP 筋增強(qiáng)波紋鋼腹板-ECC 組合梁（工況SEB）負(fù)彎矩區(qū)進(jìn)行了三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的有限元分析。該次有限元模擬的試件的相關(guān)尺寸等信息如圖1、圖2 所示。

圖1 試件設(shè)計(jì)（mm）

圖2 加載方式示意圖（mm）

試件尺寸長(zhǎng)度為3 200 mm，ECC 翼緣板的板寬度和厚度分別為600 mm 和80 mm。鋼梁采用Q355 級(jí)的工字鋼，ECC 翼緣板配置了BFRP 縱向筋和橫向筋，直徑分別為14 mm 和10 mm，縱向筋間距100 mm，橫向筋間距90 mm。組合梁布置有抗剪栓釘，并排放置成兩排，橫向和縱向間距分別為80 mm 和100 mm，直徑和長(zhǎng)度分別為10 mm 和40 mm。組合梁采用加載梁通過彈簧支座進(jìn)行三點(diǎn)彎曲加載，加載方式示意圖如圖2 所示。

1.2 材料性能

試驗(yàn)前測(cè)得ECC 立方體抗拉強(qiáng)度為4.63 MPa，抗壓強(qiáng)度為50.3 MPa，彈性模量為19.6 GPa。Q355 鋼、栓釘及BFRP 筋的材料力學(xué)性能參數(shù)如表1 所示。

表1 材料力學(xué)參數(shù)

2 有限元模型的建立

該文采用Abaqus 有限元軟件建立了FRP 筋增強(qiáng)波紋鋼腹板-ECC 組合梁的有限元模型，模型如圖3 所示。

圖3 Abaqus 有限元模型

根據(jù)試驗(yàn)的加載方案，該次模擬進(jìn)行了簡(jiǎn)化。模型采用位移加載，支座處采用簡(jiǎn)支梁約束方式。

ECC 翼緣板、工字型鋼梁和抗剪栓釘均使用C3D20R二次減縮積分單元進(jìn)行建模，BFRP 筋采用T3D2 桁架單元。BFRP 筋嵌入在ECC 翼緣板內(nèi)部，抗剪栓釘與鋼梁之間使用綁定約束。模型使用25 mm 作為基本尺寸進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，波紋腹板的基本網(wǎng)格尺寸為10 mm。

參考ECC 本構(gòu)方程[6]，該文采用塑性損傷模型[7]來模擬ECC 在三點(diǎn)彎曲荷載下的力學(xué)行為。

由于試驗(yàn)中BFRP 筋沒有斷裂，該文中BFRP 筋的本構(gòu)模型采用線彈性本構(gòu)，鋼材采用雙折線彈塑性本構(gòu)模型，應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖4 所示。

圖4 應(yīng)力應(yīng)變曲線

3 有限元模型驗(yàn)證

如圖5 所示為FRP 筋增強(qiáng)波紋鋼腹板-ECC 組合梁的荷載—跨中撓度曲線的試驗(yàn)與有限元分析結(jié)果對(duì)比。由圖5 可以看出，有限元模擬的荷載—跨中撓度曲線和試驗(yàn)曲線基本吻合。試驗(yàn)最大跨中撓度32 mm，對(duì)應(yīng)的極限荷載為306 kN，對(duì)應(yīng)有限元分析得到荷載為282 kN，試驗(yàn)結(jié)果比有限元分析結(jié)果高出7.8%，誤差滿足要求。如圖6 所示為試驗(yàn)破壞形態(tài)與有限元分析破壞形態(tài)的對(duì)比，由圖6 明顯看出兩者破壞形態(tài)較為吻合。有限元分析結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果荷載—跨中撓度及破壞形態(tài)的對(duì)比驗(yàn)證了該文建立的有限元模型的合理性。

圖5 有限元分析與試驗(yàn)荷載撓度曲線對(duì)比

圖6 有限元分析與試驗(yàn)破壞對(duì)比

4 FRP 筋增強(qiáng)波紋鋼腹板-ECC 組合梁負(fù)彎矩區(qū)力學(xué)性能影響因素分析

影響FRP 筋增強(qiáng)波紋鋼腹板-ECC 組合梁負(fù)彎矩區(qū)力學(xué)性能的因素包括ECC 強(qiáng)度、BFRP 筋配筋率以及波紋鋼腹板強(qiáng)度等因素?；谇笆鼋Y(jié)論，該節(jié)將采用有限元模型對(duì)FRP 筋增強(qiáng)波紋鋼腹板-ECC 組合梁在不同ECC 強(qiáng)度、BFRP 筋配筋率和工字鋼腹板強(qiáng)度等因素下的力學(xué)性能規(guī)律進(jìn)行進(jìn)一步分析。

4.1 不同ECC 強(qiáng)度下FRP 筋增強(qiáng)波紋鋼腹板-ECC 組合梁負(fù)彎矩區(qū)力學(xué)性能

以文獻(xiàn)[5]的FRP 筋增強(qiáng)波紋鋼腹板-ECC 組合梁為基準(zhǔn)，保持原有參數(shù)不變，僅改變ECC 抗拉強(qiáng)度的大小來研究ECC 強(qiáng)度對(duì)該組合梁負(fù)彎矩區(qū)力學(xué)性能的影響。該文選擇了四組ECC 抗拉強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比分析，分別為3.63 MPa、4.63 MPa、5.63 MPa 和6.63 MPa。

當(dāng)ECC 抗拉強(qiáng)度分別為3.63 MPa、4.63 MPa、5.63 MPa和6.63 MPa 時(shí)，組合梁負(fù)彎矩區(qū)的荷載—跨中撓度曲線如圖7 所示。從圖7 可以觀察到，隨著ECC 抗拉強(qiáng)度的增大，F(xiàn)RP 筋增強(qiáng)波紋鋼腹板-ECC 組合梁負(fù)彎矩區(qū)的承載力略微增加，但增幅不明顯。因此，在工程設(shè)計(jì)中，不建議通過增大ECC 抗拉強(qiáng)度來提高FRP 筋增強(qiáng)波紋鋼腹板-ECC 組合梁負(fù)彎矩區(qū)的承載力。

圖7 ECC 抗拉強(qiáng)度影響下的荷載—撓度曲線

4.2 不同BFRP 配筋率下FRP 筋增強(qiáng)波紋鋼腹板-ECC組合梁負(fù)彎矩區(qū)力學(xué)性能

以文獻(xiàn)[5]中的FRP 筋增強(qiáng)波紋鋼腹板-ECC 組合梁為基準(zhǔn)，保持原有參數(shù)不變，僅改變BFRP 縱筋的配筋率來研究BFRP 縱筋配筋率對(duì)該組合梁負(fù)彎矩區(qū)力學(xué)性能的影響。該文選擇了四組配筋率進(jìn)行對(duì)比分析，分別為1.3%、2.3%、3.3%和4.3%。

當(dāng)BFRP縱筋配筋率分別為1.3%、2.3%、3.3%和4.3%時(shí)，組合梁負(fù)彎矩區(qū)的荷載-跨中撓度曲線如圖8 所示。根據(jù)圖8 可見，隨著BFRP 縱筋配筋率的增加，F(xiàn)RP 筋增強(qiáng)波紋鋼腹板-ECC 組合梁負(fù)彎矩區(qū)的承載力基本不發(fā)生變化。這是因?yàn)锽FRP 縱筋具有很高的強(qiáng)度，在工字型鋼梁發(fā)生破壞時(shí)，BFRP 縱筋仍處于彈性階段，并未發(fā)生斷裂破壞。因此，在工程設(shè)計(jì)中，建議不將BFRP 縱筋配筋率設(shè)置得過大，能夠滿足構(gòu)造配筋率要求即可。

圖8 BFRP 配筋率影響下的荷載-撓度曲線

4.3 不同腹板強(qiáng)度FRP 筋增強(qiáng)波紋鋼腹板-ECC 組合梁負(fù)彎矩區(qū)力學(xué)性能

以文獻(xiàn)[5]中的FRP 筋增強(qiáng)波紋鋼腹板-ECC 組合梁為基準(zhǔn)，保持原有參數(shù)不變，僅改變波紋鋼腹板的強(qiáng)度來研究波紋腹板強(qiáng)度對(duì)該組合梁負(fù)彎矩區(qū)力學(xué)性能的影響。該文選擇了四組波紋腹板強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比分析，分別為275 MPa、375 MPa、475 MPa 和575 MPa。

當(dāng)波紋鋼腹板強(qiáng)度分別為275 MPa、375 MPa、475 MPa和575 MPa 時(shí)，組合梁負(fù)彎矩區(qū)的荷載—跨中撓度曲線如圖9 所示。從圖9 可以觀察到，隨著波紋鋼腹板強(qiáng)度的增大，F(xiàn)RP 筋增強(qiáng)波紋鋼腹板-ECC 組合梁負(fù)彎矩區(qū)的承載力略微增加，但增幅不明顯。因此，在工程設(shè)計(jì)中，不建議通過增大波紋鋼腹板的強(qiáng)度來提高FRP 筋增強(qiáng)波紋鋼腹板-ECC 組合梁負(fù)彎矩區(qū)的承載力。

5 結(jié)語

該文基于Abaqus 對(duì)FRP 筋增強(qiáng)波紋鋼腹板-ECC 組合梁負(fù)彎矩區(qū)進(jìn)行數(shù)值模擬，并進(jìn)一步分析FRP 筋增強(qiáng)波紋鋼腹板-ECC 組合梁負(fù)彎矩區(qū)在不同ECC 強(qiáng)度、BFRP 筋配筋率及工字鋼腹板強(qiáng)度等因素下的力學(xué)性能規(guī)律，得到以下結(jié)論：

（1）采用有限元軟件對(duì)FRP 筋增強(qiáng)波紋鋼腹板-ECC 組合梁負(fù)彎矩區(qū)進(jìn)行模擬分析，將有限元模擬分析得到的荷載—跨中撓度曲線及破壞形態(tài)與試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，有限元模擬結(jié)果與試驗(yàn)吻合良好，驗(yàn)證了建模方法的合理性。

（2）ECC 抗拉強(qiáng)度及波紋鋼腹板強(qiáng)度增大，F(xiàn)RP筋增強(qiáng)波紋鋼腹板-ECC 組合梁負(fù)彎矩區(qū)的承載力略有增大，設(shè)計(jì)時(shí)不建議通過增大ECC 抗拉強(qiáng)度及波紋鋼腹板強(qiáng)度來提高鋼-ECC 組合梁負(fù)彎矩區(qū)的承載力。

（3）BFRP 筋配筋率的提高，F(xiàn)RP 筋增強(qiáng)波紋鋼腹板-ECC 組合梁負(fù)彎矩區(qū)的基本不變，設(shè)計(jì)時(shí)建議按構(gòu)造配筋取值。