FRP 筋增强钢-ECC 组合梁负弯矩区力学性能研究

左海平,张 钊,梁庆庆,赖世锦,甘珠成

（柳州铁道职业技术学院,广西 柳州 545616）

0 引言

由于波纹钢腹板组合梁具有抗剪能力强等特点[1-2]，近年来在钢—混凝土组合梁中得到了广泛的应用。但在组合梁桥的负弯矩区，混凝土桥面板容易受拉而开裂，从而降低结构的承载力和耐久性[3]。因此，研究波纹钢腹板组合梁在负弯矩作用下的力学性能是非常必要的。

纤维增强聚合物复合材料（Fiber Reinforced Polymer，FRP）具有轻质高强、施工便捷、耐腐蚀性和耐久性好等优点[4]。将FRP 筋代替普通钢筋可以避免普通钢—混凝土组合梁中钢筋锈蚀而引起结构承载力下降等问题。

纤维增强水泥基复合材料（Engineered Cementitious Composite，简称ECC）是一种具有非常好的韧性、抗裂性的新型建筑材料[5]，FRP 筋与ECC 复合使用，可以代替组合梁负弯矩区的钢筋混凝土，从根本上解决负弯矩区组合梁容易开裂的问题。

截至目前，关于FRP 筋与ECC 复合使用在波纹钢腹板组合梁负弯矩区的研究非常有限，相关参数研究也不够全面。因此，有必要对FRP 筋增强波纹钢腹板-ECC组合梁负弯矩区进行参数化研究。

该文通过有限元分析了FRP 筋增强波纹钢腹板-ECC 组合梁负弯矩区的力学性能，探讨了ECC 强度、BFRP 筋配筋率和波纹钢腹板强度等因素对FRP 筋增强波纹钢腹板-ECC 组合梁负弯矩区力学性能的影响，为FRP 筋增强波纹钢腹板-ECC 组合梁在工程中的应用提供参考。

1 试验概况

1.1 试件设计

该文对武芳文等[5]开展的FRP 筋增强波纹钢腹板-ECC 组合梁（工况SEB）负弯矩区进行了三点弯曲试验的有限元分析。该次有限元模拟的试件的相关尺寸等信息如图1、图2 所示。

图1 试件设计（mm）

图2 加载方式示意图（mm）

试件尺寸长度为3 200 mm，ECC 翼缘板的板宽度和厚度分别为600 mm 和80 mm。钢梁采用Q355 级的工字钢，ECC 翼缘板配置了BFRP 纵向筋和横向筋，直径分别为14 mm 和10 mm，纵向筋间距100 mm，横向筋间距90 mm。组合梁布置有抗剪栓钉，并排放置成两排，横向和纵向间距分别为80 mm 和100 mm，直径和长度分别为10 mm 和40 mm。组合梁采用加载梁通过弹簧支座进行三点弯曲加载，加载方式示意图如图2 所示。

1.2 材料性能

试验前测得ECC 立方体抗拉强度为4.63 MPa，抗压强度为50.3 MPa，弹性模量为19.6 GPa。Q355 钢、栓钉及BFRP 筋的材料力学性能参数如表1 所示。

表1 材料力学参数

2 有限元模型的建立

该文采用Abaqus 有限元软件建立了FRP 筋增强波纹钢腹板-ECC 组合梁的有限元模型，模型如图3 所示。

图3 Abaqus 有限元模型

根据试验的加载方案，该次模拟进行了简化。模型采用位移加载，支座处采用简支梁约束方式。

ECC 翼缘板、工字型钢梁和抗剪栓钉均使用C3D20R二次减缩积分单元进行建模，BFRP 筋采用T3D2 桁架单元。BFRP 筋嵌入在ECC 翼缘板内部，抗剪栓钉与钢梁之间使用绑定约束。模型使用25 mm 作为基本尺寸进行了网格划分，波纹腹板的基本网格尺寸为10 mm。

参考ECC 本构方程[6]，该文采用塑性损伤模型[7]来模拟ECC 在三点弯曲荷载下的力学行为。

由于试验中BFRP 筋没有断裂，该文中BFRP 筋的本构模型采用线弹性本构，钢材采用双折线弹塑性本构模型，应力—应变曲线如图4 所示。

图4 应力应变曲线

3 有限元模型验证

如图5 所示为FRP 筋增强波纹钢腹板-ECC 组合梁的荷载—跨中挠度曲线的试验与有限元分析结果对比。由图5 可以看出，有限元模拟的荷载—跨中挠度曲线和试验曲线基本吻合。试验最大跨中挠度32 mm，对应的极限荷载为306 kN，对应有限元分析得到荷载为282 kN，试验结果比有限元分析结果高出7.8%，误差满足要求。如图6 所示为试验破坏形态与有限元分析破坏形态的对比，由图6 明显看出两者破坏形态较为吻合。有限元分析结果和试验结果荷载—跨中挠度及破坏形态的对比验证了该文建立的有限元模型的合理性。

图5 有限元分析与试验荷载挠度曲线对比

图6 有限元分析与试验破坏对比

4 FRP 筋增强波纹钢腹板-ECC 组合梁负弯矩区力学性能影响因素分析

影响FRP 筋增强波纹钢腹板-ECC 组合梁负弯矩区力学性能的因素包括ECC 强度、BFRP 筋配筋率以及波纹钢腹板强度等因素。基于前述结论，该节将采用有限元模型对FRP 筋增强波纹钢腹板-ECC 组合梁在不同ECC 强度、BFRP 筋配筋率和工字钢腹板强度等因素下的力学性能规律进行进一步分析。

4.1 不同ECC 强度下FRP 筋增强波纹钢腹板-ECC 组合梁负弯矩区力学性能

以文献[5]的FRP 筋增强波纹钢腹板-ECC 组合梁为基准，保持原有参数不变，仅改变ECC 抗拉强度的大小来研究ECC 强度对该组合梁负弯矩区力学性能的影响。该文选择了四组ECC 抗拉强度进行对比分析，分别为3.63 MPa、4.63 MPa、5.63 MPa 和6.63 MPa。

当ECC 抗拉强度分别为3.63 MPa、4.63 MPa、5.63 MPa和6.63 MPa 时，组合梁负弯矩区的荷载—跨中挠度曲线如图7 所示。从图7 可以观察到，随着ECC 抗拉强度的增大，FRP 筋增强波纹钢腹板-ECC 组合梁负弯矩区的承载力略微增加，但增幅不明显。因此，在工程设计中，不建议通过增大ECC 抗拉强度来提高FRP 筋增强波纹钢腹板-ECC 组合梁负弯矩区的承载力。

图7 ECC 抗拉强度影响下的荷载—挠度曲线

4.2 不同BFRP 配筋率下FRP 筋增强波纹钢腹板-ECC组合梁负弯矩区力学性能

以文献[5]中的FRP 筋增强波纹钢腹板-ECC 组合梁为基准，保持原有参数不变，仅改变BFRP 纵筋的配筋率来研究BFRP 纵筋配筋率对该组合梁负弯矩区力学性能的影响。该文选择了四组配筋率进行对比分析，分别为1.3%、2.3%、3.3%和4.3%。

当BFRP纵筋配筋率分别为1.3%、2.3%、3.3%和4.3%时，组合梁负弯矩区的荷载-跨中挠度曲线如图8 所示。根据图8 可见，随着BFRP 纵筋配筋率的增加，FRP 筋增强波纹钢腹板-ECC 组合梁负弯矩区的承载力基本不发生变化。这是因为BFRP 纵筋具有很高的强度，在工字型钢梁发生破坏时，BFRP 纵筋仍处于弹性阶段，并未发生断裂破坏。因此，在工程设计中，建议不将BFRP 纵筋配筋率设置得过大，能够满足构造配筋率要求即可。

图8 BFRP 配筋率影响下的荷载-挠度曲线

4.3 不同腹板强度FRP 筋增强波纹钢腹板-ECC 组合梁负弯矩区力学性能

以文献[5]中的FRP 筋增强波纹钢腹板-ECC 组合梁为基准，保持原有参数不变，仅改变波纹钢腹板的强度来研究波纹腹板强度对该组合梁负弯矩区力学性能的影响。该文选择了四组波纹腹板强度进行对比分析，分别为275 MPa、375 MPa、475 MPa 和575 MPa。

当波纹钢腹板强度分别为275 MPa、375 MPa、475 MPa和575 MPa 时，组合梁负弯矩区的荷载—跨中挠度曲线如图9 所示。从图9 可以观察到，随着波纹钢腹板强度的增大，FRP 筋增强波纹钢腹板-ECC 组合梁负弯矩区的承载力略微增加，但增幅不明显。因此，在工程设计中，不建议通过增大波纹钢腹板的强度来提高FRP 筋增强波纹钢腹板-ECC 组合梁负弯矩区的承载力。

5 结语

该文基于Abaqus 对FRP 筋增强波纹钢腹板-ECC 组合梁负弯矩区进行数值模拟，并进一步分析FRP 筋增强波纹钢腹板-ECC 组合梁负弯矩区在不同ECC 强度、BFRP 筋配筋率及工字钢腹板强度等因素下的力学性能规律，得到以下结论：

（1）采用有限元软件对FRP 筋增强波纹钢腹板-ECC 组合梁负弯矩区进行模拟分析，将有限元模拟分析得到的荷载—跨中挠度曲线及破坏形态与试验进行对比，有限元模拟结果与试验吻合良好，验证了建模方法的合理性。

（2）ECC 抗拉强度及波纹钢腹板强度增大，FRP筋增强波纹钢腹板-ECC 组合梁负弯矩区的承载力略有增大，设计时不建议通过增大ECC 抗拉强度及波纹钢腹板强度来提高钢-ECC 组合梁负弯矩区的承载力。

（3）BFRP 筋配筋率的提高，FRP 筋增强波纹钢腹板-ECC 组合梁负弯矩区的基本不变，设计时建议按构造配筋取值。