BFRP筋混凝土简支梁抗弯性能试验与有限元分析

2021-11-04徐宇棋江艳艳朱利国

建筑机械化 2021年10期

徐宇棋，吴竞，江艳艳，朱利国

（同济大学浙江学院，浙江嘉兴 314051）

1 概述

BFRP 筋（玄武岩复合筋）是一种新型复合材料。与普通钢筋相比，BFRP 筋具有抗拉强度高、抗冲击、抗疲劳、耐高温、耐腐蚀、质量轻、材料来源广、制造成本低等优点。BFRP 筋的力学性能与加工工艺、环境等因素有关，可将其作为混凝土结构抗拉增强材料，应用前景较广。BFRP 筋没有屈服阶段，弹性模量比普通钢筋小，易发生脆性破坏。在配筋率相近的情况下，BFRP 筋混凝土梁的受弯承载力与普通混凝土梁相近。

目前，对于FRP 筋的研究主要在玻璃纤维增强筋（GFRP 筋）和钢筋混合配筋混凝土梁的方向，且大部分集中于试验方面的研究，对BFRP筋混凝土简支梁有限元方面的研究还相对较少。本文通过ABAQUS 软件对BFRP 筋混凝土简支梁进行有限元分析，将有限元数据与试验数据进行对比，研究BFRP 筋混凝土简支梁的抗弯性能，并为BFRP 筋混凝土简支梁在有限元分析方面提供一定的参考数据。

2 试验概况

2.1 材料力学性能

本次试验混凝土设计强度等级为C30，水：水泥∶砂∶石=185∶330∶754∶1131。BFRP 筋采用∅8mm，抗拉试样总长300mm，共3 根，极限抗拉强度为1 200MPa，弹性模量为55GPa，密度为1.96g／cm3；钢筋的极限抗拉强度为540MPa、弹性模量为200GPa，密度为7.8g／cm3。

2.2 试验方案

2.2.1 试件设计

试验共设计3 根BFRP 筋混凝土梁，截面尺寸为100mm×200mm，梁长1.9m，试件配筋图如图1 所示。

图1 试件配筋示意图（mm）

试验装置包括：自平衡反力装置、静态应变仪、测力传感器、百分表、千分表、位移计等，加载设备为油压千斤顶。试验安装示意图如图2所示，试件安装实物图如图3 所示。

图2 试件安装示意图

图3 试件安装实物图

2.2.3 加载方案

试验采用三分点加载方式，分级加载。预加载时，检查仪器仪表指针是否变动，一旦发现全部的仪器仪表指针转动，立即卸载，进入正式加载阶段。

在裂缝出现之前，按1kN 逐级加载，裂缝出现之后，按2kN 逐级加载。每级加载待仪器读数稳定后记录千分表、百分表和跨中位移读数，同时观察裂缝是否出现，如有裂缝出现，及时用铅笔在梁上做出相应标记，并用读数显微镜测量最大裂缝宽度，记录新出现裂缝条数和总条数，绘制裂缝图。

加载至临近破坏前，拆除所有仪表，然后加载至梁破坏，记录破坏荷载和裂缝最大宽度，同时观察梁破坏时的特征。

2.2.4 有限元模型

在试验基础上，利用数值模拟的方法，建立BFRP 筋混凝土简支梁三维有限元模型，进一步分析其抗弯性能，有限元计算模型如图4 所示。混凝土采用SOLID65 实体单元，BFRP 筋和钢筋均采用LINK8 杆单元。加载点处通过施加均布荷载模拟试验中的钢垫板。

图4 三维有限元分析模型

3 数据整理及分析

3.1 试验现象

3 根BFRP 筋混凝土梁裂缝开展情况相似，加载至6kN 左右时，在梁跨中纯弯段首先出现第1 条竖向裂缝。随着荷载的逐级增加，跨中裂缝数量越来越多，裂缝宽度越来越大，裂缝大致与梁长方向垂直并均匀分布，且不断向混凝土梁受压区延伸。同时弯剪区有少量斜裂缝出现。试验梁破坏时，跨中受压区混凝土出现“起皮”现象。试件破坏表现为延性破坏特征（图5）。释放荷载时，试验梁回弹。

图5 试验梁破坏实物图

3.2 裂缝开展情况

试验过程中，每加载一级，记录一次新出现的裂缝条数和总条数，以及记录最大裂缝宽度。经数据整理，取3 根BFRP 筋混凝土简支梁均值绘制出荷载-裂缝数量关系曲线如图6 所示，荷载-最大裂缝宽度关系曲线如图7 所示。

图6 荷载-裂缝数量关系曲线

图7 荷载-最大裂缝宽度关系曲线

加载初期，没有裂缝出现。加载至4～6kN时，跨中底部开始出现第1 条裂缝，此时的最大裂缝宽度还较小。随着荷载的逐级增加，裂缝数量开始快速增长。11～12kN 时，新出现的裂缝条数最多。加载至30kN 时，裂缝数量增长速度开始变慢，曲线趋于平缓。从荷载-裂缝条数关系曲线可见，BFRP 筋混凝土简支梁在受弯试验过程中，随着荷载增加，总裂缝数量不断增加，后期到一定数量后不再增加，直至梁破坏。

经过数据整理分析，可知BFRP 筋混凝土梁破坏前最大裂缝宽度均值为1.5mm。由图8可知，梁的最大裂缝宽度随着荷载增加而增加，曲线呈现非线性，没有一定的规律。试验梁裂缝分布示意图如图8 所示，纵向应力云图如图9 所示。