GFRP筋混凝土的壓縮實驗及有限元簡析

龔洪亮 翁銳

【摘要】纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料（簡稱FRP）是由連續(xù)纖維材料和粘結(jié)膠體組成的一種高性能復(fù)合材料。在土木工程領(lǐng)域，主要采用FRP材料代替鋼筋以解決鋼筋的腐蝕問題。FRP筋和混凝土構(gòu)成一種組合結(jié)構(gòu)材料的基本條件是二者之間具有可靠的粘結(jié)和錨固性能。只有保證了力的有效傳遞，才能達(dá)到FRP筋和混凝土整體協(xié)同工作的目的。

【關(guān)鍵詞】GFRP筋混凝土；壓縮實驗；有限元

因其力學(xué)性能與鋼筋差別較大，使其投入使用需要更加了解這種材料，采用分組對照的形式，通過改變配筋方式，尋找FRP筋更加合適的使用方案。

一、GFRP筋混凝土的壓縮實驗

（一）實驗方案

本次試驗使用的混凝土設(shè)計強(qiáng)度等級為C30，普通硅酸鹽水泥的規(guī)格為325，粗骨料的粒徑在0.75～20mm（連續(xù)的級配），中砂的細(xì)度模數(shù)是2.3。抗壓實驗在微機(jī)控制液壓式萬能試驗機(jī)上進(jìn)行，并使用標(biāo)準(zhǔn)混凝土試塊（150mm×150mm×150mm），加載速率控制在0.04mm/s左右。試驗時，逐漸加大軸向力直到試樣被破壞，停止實驗，得到混凝土試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并記下混凝土試件的極限抗壓強(qiáng)度值。在分析試驗結(jié)果時，必須確保三組試驗數(shù)據(jù)的最大值、最小值與中間值之間的差值不大于中間值的15%，若不滿足則應(yīng)重新測試。

（二）試件制作

一是混凝土配合比設(shè)計?；炷林懈鞑牧系挠昧繛椋核?，水，砂，碎石。制作混凝土試樣時，按配合比計算出所需的每一種材料的用量，然后在電子稱上精確稱量。實驗開始時，先用清水和毛刷將攪拌機(jī)清洗干凈，再將在電子稱上稱量好的材料依次放入攪拌機(jī)中，攪拌約30s后加入原先稱量好的水，均勻攪拌60s后出料，將拌合物均勻攤鋪在鋼板上，進(jìn)行塌落度試驗測試。將拌和好的拌合物填充至規(guī)定的模具中，其中模具規(guī)格為：150mm×150mm×150mm，然后將模具放在振搗臺上進(jìn)行連續(xù)振動，直至拌合物壓實后停止振動，最后將其表面抹平，放置2d后拆模，再將其放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)約一個月，最后再置于常溫下養(yǎng)護(hù)。二是GFRP筋混凝土制作。在素混凝土的中間位置鋪設(shè)GFRP筋，GFRP筋的直徑為8mm，長度為100mm，均布布置的GFRP筋用量分別為4根、8根、12根，每組需至少3個混凝土試塊。

二、混凝土壓縮試驗有限元分析

（一）素混凝土立方體壓縮試驗?zāi)Ｐ徒?/p>

本文采用單元類型進(jìn)行模擬，其單元尺寸為1∶1，并且將立方體模型劃分為若干個立方體小單元，其中小單元的尺寸為1cm，立方體底面是三個方向上的全約束，并且與壓頭接觸的頂面周圍四面完全不受約束。素混凝土立方體模型的單軸壓縮應(yīng)力可從之前所做的素混凝土的壓縮實驗中直接獲得。

（二）GFRP筋混凝土立方體壓縮試驗?zāi)Ｐ偷慕?/p>

GFRP立方體模型是采用三層材料建立的。上、下兩層材料選用混凝土，中間層材料則選用GFRP筋。

（三）實驗結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果的分析

當(dāng)混凝土立方體試件在壓力作用下時，應(yīng)力和應(yīng)變都逐漸增加；當(dāng)混凝土試件受壓破壞時，其壓應(yīng)力達(dá)到最大值，此后，應(yīng)力應(yīng)變呈現(xiàn)下降關(guān)系；然而，素混凝土應(yīng)力應(yīng)變下降速度快于GFRP筋混凝土的下降速度，表明素混凝土從開始到發(fā)生破壞的時間間隔較短；當(dāng)兩種混凝土在發(fā)生破壞時，GFRP筋混凝土的應(yīng)力值明顯大于素混凝土，表明GFRP筋混凝土比素混凝土具有更好的力學(xué)性能。素混凝土發(fā)生破壞的時間點早于GFRP筋的破壞，并且破壞時的應(yīng)力值大于素混凝土的應(yīng)力值。表明GFRP筋混凝土的抗壓承載能力要明顯大于素混凝土。應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系呈彈性，其彈性模量較低，因此GFRP筋構(gòu)件發(fā)生脆性變化，裂縫寬度較大，裂縫間距也較大，接近極限承載力時主要裂縫根部出現(xiàn)一些分叉裂縫。裂縫首先在純彎段出現(xiàn)，開裂的數(shù)量較多且相對均勻，荷載不斷加大，開始出現(xiàn)斜向裂縫，沿長度方向進(jìn)行分布，彎剪區(qū)裂縫不斷增大擴(kuò)展，并且向壓力點傾斜，最終變寬貫通，板的破壞主要是由于所出現(xiàn)的斜向裂縫造成的混凝土立方體加-卸載循環(huán)分。當(dāng)GFRP筋混凝土中纖維筋用量為12根時，在一次循環(huán)加載后，素混凝土基本失去了力學(xué)性能，而GFRP筋混凝土還能保持良好的力學(xué)性能。在穩(wěn)定加載一段時間后，素混凝已經(jīng)完全失去了力學(xué)性能，不能繼續(xù)工作。然而，GFRP筋混凝土還可以繼續(xù)承受連續(xù)荷載的影響，并進(jìn)一步證明了GFRP筋混凝土具有良好的延性性能。通過ANSYS對混凝土立方體循環(huán)加-卸載的模擬，可以看出GFRP筋的抗疲勞性能強(qiáng)于素混凝土。）通過對GFRP筋混凝土和素混凝土的標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果表明，GFRP筋混凝土的力學(xué)性能明顯優(yōu)于素混凝土，因此，我們可以再繼續(xù)加深對GFRP筋性能方面的研究，充分發(fā)掘它的潛能而更好地應(yīng)用在工程實踐中。

通過ANSYS模擬的不同GFRP筋用量對混凝土應(yīng)力-應(yīng)變的影響，說明GFRP筋用量的增多能延長混凝土的使用壽命，因此可在實際工程中廣泛使用GFRP筋。通過ANSYS有限元模擬混凝土立方體加-卸載循環(huán)過程，表明加GFRP筋后的混凝土的抗疲勞性優(yōu)于素混凝土，因此可以在路面層中合理鋪設(shè)GFRP筋來提高水泥路面的抗疲勞性。

參考文獻(xiàn)

[1]騰錦光，陳建飛.FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2016：1～63.

[2]過鎮(zhèn)海，時旭東.鋼筋混凝土原理和分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2015：143～157.