BFRP筋再生混凝土无腹筋深梁抗剪理论研究及有限元分析
1 绪论
1.1 研究背景
钢筋混凝土结构经过一百多年的发展，已经成为主要的结构形式，但也暴露出两大问题。其一，许多钢筋混凝土结构或构件，如桥梁和港口承台等因直接曝露在腐蚀环境中，钢筋锈蚀导致构件损伤严重，影响了构件的服役年限，如图 1.1 所示；其二，随着经济与社会的发展，人类面临石材短缺、建筑垃圾堆积等严峻形势。寻找新材料、新工艺发展新型结构成为国内外学者的研究热点。 纤维增强复合材料（FRP）是一种新型工程结构材料，由连续纤维和树脂基体复合而成。目前工程应用的 FRP 种类主要包括碳纤维（CFRP）、玻璃纤维（GFRP）、芳纶纤维（AFRP）和玄武岩纤维（BFRP）。这些材料因其高比强度和良好的耐久性能等优点被广泛应用于土木工程的各个领域。作为一种无腐蚀基材的高分子材料，FRP 筋材替代普通钢筋可减小构件因钢筋腐蚀导致的昂贵维修费用，具有减少构件生命周期成本的潜力；同时，该材料也可以用于防磁、防静电的混凝土构件中；也因其轻质高强的特点，使其在混凝土结构中的应用更具潜力。目前，应用于结构工程的 FRP 材料主要分为 FRP 短切纤维、FRP 片材、FRP 板材、FRP 筋材。前三者，国内外研究较早，研究成果较后者更为成熟。FRP 筋材因其轻质、高强、耐腐蚀等优点能够替代结构构件中钢筋，特别是曝露在腐蚀性环境下的构件，如桥梁、海港、水工、高寒地区、氯盐环境下的结构等[1]。BFRP 筋作为一种新型 FRP 筋，弹性模量和抗拉强度虽低于 CFRP 筋，但其来源丰富，价格低于其它类型的 FRP 材料，故在工程应用中也有其独特优势。 再生混凝土是将废弃混凝土块体破碎、清洗、筛分后，部分或全部替代天然粗骨料而制成新的混凝土。在当前人类面临建筑石材日益短缺、城市废弃物填埋占地严重和环境污染问题日益突出的形势下，再生混凝土的研究和推广，具有极其重要的工程应用价值和巨大的社会效益、经济效益、环保效益[2]。 混凝土梁是混凝土结构中的重要受力构件。实际工程中混凝土梁的破坏形态主要有抗弯和抗剪破坏两种。而剪切破坏属于脆性破坏，梁发生脆性破坏的征兆没有弯曲破坏的明显，而且后果较弯曲破坏也更加严重；特别是针对土木工程领域应用较为广泛的深受弯构件，抗剪性能的研究具有非常重要的实际意义。
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1.2 FRP 筋混凝土梁抗剪研究现状
FRP 筋具有抗拉强度高、抗腐蚀性能好等优点，能较好地适用于特殊环境下的混凝土结构。但是，FRP 筋的横向抗剪强度低，不足其抗拉强度的 10%；而且，FRP 筋的弹性模量一般也小于钢筋的弹性模量。因此，国内外的工程师与学者们十分关注 FRP 筋混凝土结构的抗剪性能[3]。国外从 20 世纪 80 年代就开始研究 FRP 筋混凝土梁的抗剪问题，主要从梁抗剪性能影响因素、抗剪机理、抗剪强度计算等方面展开研究。美国、加拿大、日本、欧盟等国家和组织也已出台相关设计规范，对 FRP 筋混凝土梁的施工进行指导。 Alam 和 Hussein[4]基于剪跨比、纵筋轴向刚度、梁截面尺寸大小、混凝土强度四因素对 FRP 筋混凝土梁抗剪承载力的影响展开研究，提出了统一计算公式；并将计算结果与 132 根 FRP 筋矩形无腹筋梁的试验数据和现有规范的计算结果进行对比，验证了统一公式的可行性。 Razaqpur 等[5]对 FRP 筋梁的抗剪机理和传力机制进行了研究；并介绍了其在加拿大FRP 相关规范 CSA S806-12 中的应用；通过对 300 多根 FRP 筋混凝土梁试验数据的回归分析，评估了所述规范的准确性以及基本假设的合理性；并在对比了几种建议公式的计算结果后，得出结论：加拿大规范 CSA S806-12 公式更适合于 FRP 筋梁抗剪承载力的计算。
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2 试验概况
为了研究与验证本文理论计算与数值模拟的合理性，本章简介了课题组所做的试验，其来源于本课题组辽宁工业大学孙英明的硕士论文《无腹筋 BFRP 筋再生混凝土深梁抗剪性能研究》[64]，并对试验结果进行了初步分析。
2.1.1 材料
本试验胶凝材料采用渤海牌 42.5 级普通硅酸盐水泥，密度为 3 g/cm3，28 天抗压强度为 49.6 MPa；砂为河砂，堆积密度 1.6 g/cm3，表观密度 2.7 g/cm3，，细度模数 2.46，属Ⅱ区中砂；再生粗骨料来源于废弃建筑混凝土（原混凝土设计强度等级为 C30），经破碎和筛分得到粒径范围为 5-20 mm，堆积密度为 1.4 g/cm3，表观密度为 2.6 g/cm3，吸水率 3.8%，压碎指标 18.1%，外观形态如图 2.1 所示；粉煤灰采用锦州市国际热电厂生产的Ⅱ级粉煤灰，表观密度 2.2 g/cm3，细度 14.2%；高效减水剂为 PC 聚羧酸粉状固体高效减水剂，减水率 35%；玄武岩表面喷砂纤维筋，来自江苏天龙玄武岩连续纤维高新科技有限公司，其外观形态见图 2.2，性能指标见表 2.1。
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2.2 试验结果及分析
在分配梁作用下，每根梁均对称地加载了两个集中荷载，梁剪跨段的剪力应是所加荷载的一半，故梁的抗剪承载力为极限荷载的二分之一。试验梁的开裂荷载、极限荷载、抗剪承载力以及破坏模式列于表 2.3。根据控制变量法原理，图 2.6 显示了其他变量相同，剪跨比不同的三根试验梁 BF-1、BF-2、BF-3 的抗剪承载力。结果显示试验梁的抗剪承载力随剪跨比的增大呈下降趋势。BF-1 的剪跨比为 1.54，抗剪承载力为 120.1 kN。当剪跨比增大到 1.73 时，相应的抗剪承载力减小了 24.3%；剪跨比为 2.02 时，抗剪承载力下降了 30.2%[2]。
3 BFRP 筋再生混凝土无腹筋深梁抗剪承载力计算 .... 21
3.1 加拿大 CSA S806-02、CSA S806-12 抗剪承载力计算 ....... 21
3.2 美国 ACI 440.1R-06 抗剪承载力计算 ...... 22
3.3 日本 JSCE-97 抗剪承载力计算 .......... 22
3.4 我国 GB50010-2010 抗剪承载力计算 ...... 23
3.5 基于拉—压杆模型的抗剪承载力计算 ..... 23
3.6 不同规范计算结果对比 ........ 30
3.7 本章小结 .... 31
4 BFRP 筋再生混凝土无腹筋深梁有限元分析 ..... 33
4.1 有限元软件 ANSYS 简介 ..... 33
4.2 本构关系 .... 33
4.3 单元类型 .... 36
4.4 BFRP 筋再生混凝土无腹筋深梁有限元计算模型 ........ 37
4.4.1 有限元模拟 .... 37
4.4.2 ANSYS 非线性分析收敛控制 .......... 38
4.5 BFRP 筋再生混凝土无腹筋深梁有限元结果与分析 .... 39
4.6 本章小结 .... 52
5 结论与展望 .......... 53
5.1 结论 ..... 53
5.2 展望 ..... 53
4 BFRP 筋再生混凝土无腹筋深梁有限元分析
4.1 有限元软件 ANSYS 简介
结构工程中许多力学问题，由于几何和材料的复杂性，人们能够得出其边界条件和基本方程，但是通过解析法去求解很困难。一般解决此类问题，有两种途径：一是引入适当假设简化条件，再求解析解；二是保留问题的复杂性，借用计算机数值模拟方法来求解问题。数值模拟技术基于现代数学和力学理论等知识，通过计算机来求解满足工程应用的数值解。 ANSYS 软件作为一款大型通用有限元分析软件，在土木、水利、交通、能源、国防等众多工程领域都有着广泛的应用。ANSYS 能够进行结构、流体、热力学、电磁学等研究。 ANSYS 软件基于有限单元法，先化整为零，再由零集整。将一个原来连续的系统，分割为有限多个通过有限个节点而相互连接在一起的单元，再根据体系的平衡方程、物理方程、几何相容条件以及位移插值函数，构建节点与所求未知量的相互作用关系，最后再把所有单元的这种性质，按照连续条件、变形协调条件或者能量原理，引入边界条件，得出一组以节点位移为未知量的线性代数方程组，求解后便可得到所求变量。 目前，国内外学者对 FRP 筋梁的研究日趋成熟，但大部分学者的研究集中于试验方面。试验过程可以比较直观和真实地体现梁的受力、变形、裂缝和破坏等过程；但试验的资金成本和时间成本都较大，且对人力和场地等条件的要求高。通过有限元模拟技术可以克服上述试验的不足，另一方面也可以通过模拟验证试验数据的准确性。 钢筋混凝土有限元模型根据钢筋的处理方式分为整体式、分离式与组合式三种[72]。整体式将钢筋单元分布于整个单元中，假定钢筋与混凝土之间粘结良好无相对滑移，求解出的是综合了钢筋与混凝土的单元刚度矩阵。整体式模型建模方便、效率高，但仅适用于钢筋分布较均匀的区域，如剪力墙和楼板，且很难得出钢筋的内力。分离式将钢筋与混凝土分为两种不同的材料和单元来处理。钢筋与混凝土之间的粘结—滑移关系可用粘结单元来模拟。分离式模型建模复杂，需要考虑共用节点问题，比较适用梁、柱的内力分析。组合式将构件横截面分为若干钢筋层和混凝土层来处理混凝土板、壳等问题。
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结论
本文阐述了国内、外关于纤维筋再生混凝土深梁抗剪性能相关的研究现状；基于课题组相关试验，对试验深梁的剪切承载力进行了理论计算；并采用 ANSYS 软件，对试验梁进行有限元模拟分析。以下为本文研究结论：
（1）加拿大规范CAN/CSA S806-12 对试验梁的抗剪承载力预测结果稳定性最好，但与试验结果的吻合度稍差；基于美国ACI 318-11 规范的拉—压杆模型方法预测效果和结果稳定性都较好；美国ACI 440.1R-06 对试验梁的预测结果与拉—压杆模型计算的效果相近；日本JSCE-97 和中国GB 50010-2010 规范对试验梁抗剪强度的计算结果过于保守。
（2）ANSYS 模拟得到的梁应力云图拉、压应力分布情况符合拉—压杆力学模型，验证了应用拉—压杆模型理论的合理性。
（3）梁内纤维筋应变与应力呈现跨中大、两边小的分布规律；纤维筋应力利用率随梁剪跨比、FRP 筋配筋率和混凝土强度的增加而减小，随截面有效高度的增加呈现先减小后增大的规律。
（4）梁开裂荷载随着剪跨比的增大而减小，随截面有效高度、再生混凝土抗压强度的提高而提高，纵筋配筋率对试验梁的开裂荷载影响效果不明显。
（5）试验梁的抗剪承载力随剪跨比增大而减小，随纵向配筋率、截面有效高度、再生混凝土抗压强度的提高呈现上升趋势。
（6）ANSYS 分析时采用将 FRP 筋与再生混凝土共节点的方式，并通过折减 20% BFRP 筋弹性模量可以很好预测试验梁的抗剪承载力；但是，对于试验梁的变形预测存在一定偏差。
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参考文献(略)
本文编号：65371
本文链接：https://www.wllwen.com/wenshubaike/lwfw/65371.html
