海洋環境中預應力GFRP筋混凝土板受力分析

劉志威 丁冰雙

摘 要：目前，沿海城市修建的大跨度預應力橋梁越來越多，然而海洋環境對鋼筋的銹蝕給結構帶來很多問題。GFRP筋具有良好的耐腐蝕性，用GFRP筋取代鋼筋能很好地解決鋼筋易銹蝕的問題。主要通過ABAQUS模擬分析預應力GFRP筋混凝土板的受力性能，并與預應力鋼筋混凝土板進行對比，最后提出一些改進混凝土板受力性能的措施。

關鍵詞：海洋環境;GFRP筋;鋼筋;預應力

中圖分類號：TB ? ? 文獻標識碼：A ? ? ?doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.23.105

近些年，沿海城市修建的大跨度預應力橋梁越來越多，海水的蒸發使得沿海城市的鋼筋混凝土構件處于海洋環境中。海水中鹽的含量占3%左右，且富含Cl—。混凝土的高堿性環境使鋼筋表面產生一層致密的鈍化膜，而Cl—是極強的去鈍化劑，Cl—吸附于鈍化膜處，使得pH值迅速降低，從而破壞鋼筋表面鈍化膜。鐵基體作為陽極受到腐蝕，大面積鈍化膜區域作為陰極。由于是大陰極對應小陽極，鋼筋的腐蝕速度很快。鋼筋銹蝕體積膨脹，嚴重影響鋼筋的工作性能和使用壽命，類似的案例屢見不鮮。而GFRP筋具有較強的耐腐蝕性，各項性能與鋼筋比較類似，能較好地解決鋼筋銹蝕的問題。另外預應力結構具有抗裂性好、減小自重等優點，在大跨度橋梁中應用廣泛。但是目前，國內對預應力GFRP筋混凝土的研究較少，因此本次研究十分必要。

1 預應力結構、GFRP筋的特點

1.1 預應力結構的優缺點

優點：（1）抗裂性好;（2）節省材料，減小自重;（3）提高構件的耐疲勞性能。缺點：（1）工藝較復雜，對質量要求高;（2）需要有一定的專門設備。

1.2 GFRP筋的優缺點

優點：（1） 較強的耐腐蝕性;（2）比強度高。缺點：（1）各向異性;（2）熱固性材料。

2 預應力GFRP筋混凝土板和預應力鋼筋混凝土板的對比分析

本文通過有限元軟件ABAQUS對預應力GFRP筋混凝土板和預應力鋼筋混凝土板進行模擬，對比分析兩者的受力性能。

2.1 試件的分組

我們將構件分為兩組：一組構件配置GFRP筋;另一種構件配置鋼筋，其中預應力鋼筋混凝土板作為對照組。為了驗證配筋率和混凝土強度對混凝土板受力性能的影響，配置GFRP筋的構件再分為以配筋率不同和混凝土強度不同的四組。各組構件除了上面提到的差別外，其他參數均相同，具體分組情況如下：

第A1組：配置8*Φ18 的GFRP筋，選用C30混凝土。

第A2組：配置16*Φ18 的GFRP筋，選用C30混凝土。

第A3組：配置32*Φ18 的GFRP筋，選用C30混凝土。

第A4組：配置16*Φ18 的GFRP筋，選用C40混凝土。

第B組：配置16*Φ18 的鋼筋，選用C30混凝土。

各組構件的梁內均配備24*Φ32的鋼筋，各組都按構造要求配置箍筋。

2.2 混凝土板、梁的具體尺寸

2.3 模型的建立

2.3.1 模型的簡化

忽略梁以下的構件，對梁底部設置固定約束，忽略了板內的構造鋼筋。

2.3.2 定義接觸

縱筋及箍筋與混凝土的關系采用embedded的約束條件，板與梁的接觸定義為鉸接。

2.3.3 定義預應力

采用降溫法定義預應力，即在GFRP上筋施加降溫荷載，使GFRP筋收縮，通過GFRP筋與混凝土之間的連接將GFRP筋的收縮應變傳遞到混凝土材料中去，從而使混凝土獲得預應力。本次模擬在筋材上施加的溫度荷載為降溫25度，模型如圖1所示。

2.4 結果的處理

2.4.1 極限承載力

設置Static，risk的分析步，在板上施加1KN/m的均布荷載，作為荷載幅值。

2.4.2 跨中撓度

通過在混凝土板上施加5KN/m2的均布荷載，計算跨中撓度。

由表2可以看出：相同條件下，預應力GFRP筋混凝土板（A2）的極限承載力略小于預應力鋼筋混凝土板（B），跨中撓度略大于預應力鋼筋混凝土板（B）。通過對比A1、A2 、A3、A4的結果，可以看出增大GFRP筋的配筋率和提高混凝土強度時，可以提高預應力混凝土板的極限承載力，減小混凝土板跨中的撓度。

3 結論

對于處于海洋環境的預應力混凝土板來說，使用GFRP筋能有效解決鋼筋易銹蝕的問題，提高混凝土板的工作性能和使用壽命。而且通過上述分析，配置GFRP筋和配置鋼筋的預應力混凝土板的受力性能相差不大，我們也可以通過適當增大配筋率、提高混凝土強度等措施改善預應力混凝土板的受力性能。因此在海洋環境中，我們可以嘗試用GFRP筋替換鋼筋應用到預應力混凝土板中。

參考文獻

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