鋼-連續纖維復合筋（SFCB）增強混凝土梁有限元參數分析

季 翔 李嘉祺 夏旸昊

（揚州大學建筑科學與工程學院，江蘇 揚州 225127）

鋼-連續纖維復合筋（Steel-FRP Composite Bar，簡稱SFCB）[1]是一種以鋼筋為內芯外包縱向纖維的新型增強復合材料，具有強度高、延性好、彈性模量較高、穩定的二次剛度及優異的耐腐蝕性能等特點，用耐腐蝕的FRP 包裹普通鋼筋，可保護鋼筋不受侵蝕，提高梁的耐久性能。

羅云標[2]對SFCB 嵌入式抗彎加固混凝土梁進行試驗，證明了SFCB 增強混凝土結構能夠有效提高結構的承載能力和剛度，能夠實現具有良好延性的理想的破壞形式；給出了SFCB 嵌入法加固鋼筋混凝土梁正截面抗彎承載力的計算方法，試驗值與計算值吻合較好。吳剛、羅云標[3-4]發現嵌入SFCB 抗彎加固能顯著提高受彎梁正常使用階段的剛度和極限階段的承載力，且較為經濟。孫澤陽[5]對SFCB 混凝土梁荷載-位移曲線進行了模擬，研究SFCB 斷裂應變及其二次剛度比、截面高寬比和等效配筋率等對截面彎矩曲率的影響，發現SFCB 梁截面存在最大可能曲率和兩個界限配筋率，推導擬合了相關計算公式。

有限元軟件ABAQUS 中的混凝土塑性損傷模型具有計算準確和容易收斂的優點，因此本文采用ABAQUS 對SFCB增強混凝土梁的受彎性能進行模擬，并將模擬結果與試驗結果進行對比，驗證所建立的有限元模型的正確性，同時分析SFCB 增強混凝土梁受彎性能的影響因素，從而為進一步進行SFCB 增強混凝土梁受彎性能的研究提供依據。

1 有限元模型建立及驗證

1.1 材料本構關系

1.1.1 混凝土

混凝土應力-應變曲線采用GB50010-2010《混凝土結構設計規范》附錄C 中所給出的分段式應力-應變全曲線，如下圖1 所示。

圖1 混凝土應力-應變曲線

1.1.2 SFCB

SFCB 本構關系見下圖2。

1.2 有限元模型的建立

1.2.1 參數設定

試件設計尺寸為b×h×l=120 mm×180 mm×1200 mm，試件設計參數見表1。ABAQUS 有限元模擬需要輸入的參數見表2、3、4。

圖2 SFCB 本構關系

表1 試件設計參數

表2 混凝土參數

表3 鋼材參數

表4 混凝土塑性參數

1.2.2 單元劃分、邊界條件及荷載施加方式

本文采用整體式建模的方式，混凝土單元采用C3D8R，SFCB 選用桁架單元T3D2。為防止模擬過程中出現應力集中的現象，在試驗梁加載點和支座處設置厚度為10mm 的鋼墊塊。邊界條件為一端約束沿X、Y、Z 軸方向的移動和繞X、Y 軸的轉動，另一端約束Y、Z 軸方向的移動和繞X、Y 軸的轉動。在梁長方向采用三分點位移加載。

1.2.3 模型驗證

為了驗證模型的正確性，將用ABAQUS 計算得到的各級荷載對應的梁跨中撓度導出，選取SFCB 混凝土梁的模擬結果與試驗結果進行對比。圖3 是模擬出來的荷載-撓度曲線與試驗得出的荷載-撓度曲線對比圖。

圖3 SFCB 梁荷載-撓度曲線模擬值與試驗值對比圖

從圖3 可以看出，ABAQUS 和試驗測得的結果都較好的反映了SFCB 混凝土梁受彎的全過程。ABAQUS 計算得到的荷載-撓度曲線與實測的曲線吻合較好，且屈服點相近。

2 SFCB 增強混凝土梁有限元參數分析

為了進一步研究SFCB 增強混凝土梁的受彎性能，本文從改變外包纖維類型、混凝土強度兩方面著手，通過ABAQUS 參數分析，探究上述兩種因素對SFCB 增強混凝土梁受彎性能的影響。

2.1 外包纖維類型的影響

根據羅云標[2]對4 種SFCB 單調拉伸試驗的結果，選取直徑均為12mm 的S10B20 和S10C40 各3 根，把所測的的各項參數取平均值，作為本次模擬所用的SFCB 的材料參數，其力學性能如表5 所示。圖4 為只考慮SFCB 作為縱向受拉筋外包纖維類型不同，其余參數設置均和本次試驗相同的兩根SFCB 混凝土梁的荷載-撓度曲線圖。

表5 SFCB 力學性能

圖4 不同外包纖維的SFCB 混凝土梁的荷載-撓度曲線

從圖4 可以看出，不同外包纖維類型對SFCB 增強混凝土梁的受彎性能影響較大。配置S10C40 的混凝土梁的屈服荷載和極限荷載都要高于配置S10B20 的混凝土梁，這與S10C40 和S10B20 所反映的力學性能相吻合。當都達到屈服荷載后，配置S10C40 的混凝土梁剛度下降較為緩慢。相同荷載水平下，配置S10C40 的混凝土梁的撓度小于配置S10B20 的混凝土梁。達到極限荷載時，配置S10C40 的混凝土梁的撓度比配置S10B20 的混凝土梁小27.96%，說明當內芯鋼筋直徑相同時，外包碳纖維的S10C40 相較于外包玄武巖纖維的S10B20 剛度更大，延性更好，對混凝土梁的受彎性能更有利。

2.2 混凝土強度的影響

本小節選取SFCB 混凝土梁BE 為基本試件，保持模型尺寸、配筋類型、配筋率等參數不變而只考慮混凝土強度這一因素對SFCB 混凝土梁受彎性能的影響。混凝土強度分別取C30、C40、C45。圖5 為不同混凝土強度下的試件BE 的荷載-撓度曲線。

圖5 試件BE 在不同混凝土強度下的荷載-撓度曲線

從圖5 可以看出，三種混凝土強度下的試件的荷載-撓度曲線的發展趨勢在屈服前基本類似，開裂荷載和屈服荷載也較為接近，但極限荷載相差較大。隨著混凝土強度等級的提升，SFCB 混凝土梁的剛度隨之增大，且強度越高，剛度下降的就越緩慢。

3 結語

（1） 通過對鋼-連續纖維復合筋（SFCB） 增強混凝土梁進行有限元分析，并將模擬結果與試驗結果的對比，說明ABAQUS 有限元模擬的合理性和可行性。

（2） 對SFCB 增強混凝土梁受彎性能影響因素進行有限元參數分析，模擬結果表明：SFCB 外包纖維類型對SFCB 混凝土梁的受彎性能影響較大，且在內芯鋼筋直徑相同時，外包碳纖維的SFCB 比外包玄武巖纖維的SFCB 性能更優良，延性更好；混凝土強度越大，試件極限荷載也越大，且荷載提升的幅度隨著混凝土強度等級的提高而降低，隨著混凝土強度等級的提升，SFCB 混凝土梁的剛度隨之增大，且強度越高，剛度下降的就越緩慢，提高混凝土強度對SFCB 增強混凝土梁的受彎性能具有一定的改善作用。