混杂纤维自密实混凝土梁受弯性能有限元分析★

杜丽君 张鑫月 苏仙山 方光秀*

(延边大学工学院，吉林 延吉 133002)



混杂纤维自密实混凝土梁受弯性能有限元分析★

杜丽君 张鑫月 苏仙山 方光秀*

(延边大学工学院，吉林 延吉 133002)

利用ANSYS有限元软件，研究了玄武岩纤维和聚丙烯纤维不同掺量对自密实混凝土梁在屈服状态下应力和跨中挠度的影响，并给出了相关回归方程，得到了最佳纤维组合掺量，为混杂纤维自密实混凝土梁抗弯性能的试验研究提供参考。

自密实混凝土，纤维，挠度，抗弯性能，回归方程

0 引言

纤维混凝土有效改善了混凝土的各项性能，尤其是其韧性、抗冲击性和抗裂抗渗性[1]。自密实混凝土避免了由振捣不足引起的混凝土浇筑质量缺陷状况。但由于自密实混凝土浆料含量大，水胶比低，其早期裂缝问题较为严重[2，3]。

为克服这一缺点，可在自密实混凝土中加入适当纤维，既提高了混凝土的强度和韧性，又限制了混凝土的早期收缩[2]。但只加入一种纤维对混凝土力学性能的提高还具有一定的局限性，为了更全面地改善混凝土的各项性能，考虑在混凝土中加入多种纤维[4]。目前对于混杂纤维自密实混凝土的研究较少。就此，本文改变自密实混凝土中玄武岩纤维和聚丙烯纤维的不同掺量，并利用有限元分析不同纤维掺量组合对自密实钢筋混凝土梁应力和屈服挠度的影响，为混杂纤维自密实混凝土梁抗弯性能的试验研究提供理论参考。

1 试验设计

共设置5根梁，梁长度均为1 500 mm、净跨1 200 mm、截面尺寸为120 mm×180 mm。梁内纵向受拉钢筋采用2根直径为20 mm的HRB400热轧钢筋，箍筋及上部架立筋采用2根直径为8 mm的HRB335热轧钢筋。梁试件构造如图1所示。

本文对自密实混凝土梁设计玄武岩纤维掺量为0 kg/m3,1.325 kg/m3,2.65 kg/m3等3个变量，并设计聚丙烯纤维掺量为0 kg/m3,0.1 kg/m3,0.2 kg/m3等3个变量。试验梁参数设计方案如表1所示。

表1 试验梁参数设计方案

2 有限元模型建立

2.1 单元类型的选择

采用分离式模型将混凝土和钢筋作为不同的单元来处理。混凝土采用Solid65单元类型，钢筋采用Link8单元模拟[5]。本文在梁的支撑处和加载处设置50 mm×120 mm的模拟刚性垫板以避免应力集中。试件的有限元网格划分及钢筋单元如图2所示。

2.2 本构关系选择

1)混凝土本构关系。

a.混凝土采用过镇海教授提出的分段表达式[6]：

(1)

其中，x=ε/ε0;y=σ/σ0(σ0为混凝土应力—应变曲线的峰值应力；ε0为峰值应力时的应变)；参数α取值范围为1.5～3.0；β处于大于0.4的范围。

b.研究表明，纤维混凝土本构曲线与普通混凝土的轴心受压应力—应变曲线在形状上没有太大的差别[7，8]。因此，上述本构关系同样适用于纤维混凝土。

2)钢筋的本构关系。

混杂纤维自密实混凝土梁钢筋采用理想弹塑性模型，其本构关系按GB 50010—2010混凝土结构设计规范确定，即：

(2)

其中，ES为钢筋弹性模量;εy为钢筋屈服应变;fy为钢筋屈服应力。

3 有限元模拟结果与分析

3.1 等效屈服应力云图

混杂纤维自密实混凝土梁和钢筋等效屈服应力云图如图3,图4所示。

由图3，图4可看出，屈服时梁内最大压应力均在跨中上部受压区，钢筋最大拉应力均在下部受拉区。

只掺入玄武岩纤维会使梁可承担的屈服荷载减小，在此基础上固定其中一种纤维的掺量，梁的最大应力随着另一种纤维掺量的增加而逐渐增加，到达适当纤维掺量组合时，其最大应力减小，但仍比不掺纤维时的自密实混凝土大。

3.2 不同纤维掺量组合对梁跨中挠度的影响

如图5所示，固定玄武岩纤维掺量为1.325 kg/m3时，混加两种纤维梁的屈服挠度均比单掺玄武岩纤维梁的屈服挠度小。说明合理的纤维掺量会大幅增强混凝土的韧性，提高梁的抗弯性能。

将图5的曲线变化规律用y=ax2+bx+c拟合，聚丙烯纤维掺量与梁屈服时的跨中挠度回归方程为y=19.15x2-5.555x+4.428，拟合度R2=1。其中,y为跨中屈服挠度；x为玄武岩纤维掺量,为1.325 kg/m3，聚丙烯纤维掺量分别为0 kg/m3，0.1 kg/m3，0.2 kg/m3；a，b，c均为回归系数。

4 结论

本文通过ANSYS有限元分析，研究了5种不同纤维掺量组合对自密实混凝土梁在屈服状态下应力和挠度的影响。研究结果表明：

1)合理的纤维掺量组合可提高梁内最大压应力，增强其承担屈服荷载的能力。本文最佳纤维掺量组合为玄武岩纤维掺量1.325 kg/m3，聚丙烯纤维掺量0.1 kg/m3。

2)掺入适量纤维能有效提高自密实混凝土梁的抗弯性能，且混杂纤维自密实混凝土梁的屈服挠度比单掺玄武岩纤维自密实混凝土梁的屈服挠度分别减小8.2%,7.8%,8.0%。

3)固定玄武岩纤维掺量为1.325 kg/m3时，聚丙烯纤维掺量与屈服时跨中挠度的回归方程为y=19.15x2-5.555x+4.428。

[1] 王志钊.聚丙烯纤维混凝土综合性能试验研究[D].杭州：浙江大学，2004.

[2] 骆冰冰.混杂纤维自密实混凝土的性能研究[D].大连:大连交通大学，2012.

[3] 何小兵，卓 仪.聚丙烯纤维自密实混凝土工作性及强度性能研究[J].重庆交通大学学报(自然科学版)，2012(12):1137-1140.

[4] 崔 昭.钢—PVA混杂纤维混凝土动态本构模型及其有限元分析[D].南京：华南理工大学，2016.

[5] 张海龙.钢纤维高强再生混凝土梁抗弯性能试验研究[D].延吉：延边大学，2016.

[6] 过镇海，时旭东.钢筋混凝土原理与分析[M].北京:清华大学出版社，2003.

[7] 张元元.钢—聚丙烯混杂纤维混凝土单轴受压本构关系与受拉性能研究[D].武汉：武汉大学，2010.

[8] 陈 萌.玄武岩纤维橡胶再生混凝土—BFRRBC—基本性能及应力—应变关系[D].郑州：华北水利水电大学，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★:延边大学科技发展计划校企合作项目(项目编号：602015001)

杜丽君(1997- )，女，在读本科生； 张鑫月(1995- )，女，在读本科生； 苏仙山(1992- )，男，在读本科生

方光秀(1967- )，男，博士，教授

TU528.572

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