基于有限元模擬的FRP 筋加固混凝土梁受力性能淺析

楊奔

（北海職業學院）

0 前言

FRP 材料（纖維增強復合材料）在現在的土木建筑工程中應用得越來越廣泛。FRP 材料具有抗拉性強、質量輕、耐腐蝕等優點。在土木建筑工程中采用FRP 材料能夠有效增強建筑的受力性能。常見的FRP 主要包括FRP 筋材、FRP 片材、FRP 筒材等。FRP 筋是由碳纖維等多股連續纖維通過環氧樹脂等基材進行膠合后，采用特殊的模具進行擠壓并拉拔成型，由于FRP 筋抗拉性能比鋼筋好，故FRP 筋可以在一定條件下在一定程度上替代鋼筋受拉且效果較好。而在土木建筑工程實際施工前，可以采用有限元軟件對FRP 筋加固混凝土梁受力性能進行建筑信息化有限元仿真模擬，提前發現一些可能在土木建筑工程實際施工出現的問題，從而提前尋找解決方法，進而節省工程經費，提高工程質量。本文以混凝土梁添加FRP 筋為例，主要對FRP 筋加固混凝土梁的受力性能進行有限元分析。

1 FRP 筋加固混凝土梁有限元模型的建立

1.1 混凝土梁有限元模型的建立

采用有限元軟件參照實際建筑混凝土梁構件建立一個如圖1 所示的FRP 筋混凝土梁的有限元模型，在FRP 筋混凝土梁有限元模型中，混凝土梁的總長度為2500mm，總寬度為150mm，總高度為300mm。其中，混凝土梁中混凝土的材料特性為：彈性模量E混為3.25×1010N/m2，泊松比為0.2，抗壓強度fc為2.4×107N/m2，抗拉強度ft為2.4×106N/m2，混凝土材料采用混凝土塑性損傷模型。

圖1 FRP 筋混凝土梁尺寸

1.2 FRP 筋的模擬

參照FRP 材料相關研究資料，FRP 筋采用桁架單元進行建模。FRP 筋的材料屬性被設定為線彈性（Elastic），FRP 的彈性模量為237000MPa，泊松比為0.2。

1.3 FRP- 混凝土界面的模擬

參照FRP 材料相關研究資料，在FRP 筋混凝土梁有限元模型中，FRP 與混凝土之間連接處的界面粘結單元采用非線性Spring2 單元進行模擬，其剛度K 由FRP-混凝土界面粘結-滑移關系曲線的一階導數得出：

1.4 荷載的施加及網格的劃分

FRP 筋混凝土梁有限元模型采用位移控制施加荷載。

進行FRP 筋混凝土梁有限元模型網格劃分時，網格單元采用六面體單元，網格近似全局尺寸為10mm。

加載中的FRP 筋混凝土梁有限元模型受載后的損傷云圖如圖2 所示。為了更好呈現受載后FRP 筋混凝土梁的內部、外部受力性能，加載中的FRP 筋混凝土梁有限元模型損傷云圖采用局部剖視法進行呈現。

圖2 加載中的FRP 筋混凝土梁有限元模型損傷云圖（局部剖視）

2 FRP 筋加固混凝土梁有限元模型受力性能的分析

經過對FRP 筋加固混凝土梁有限元模型的受力性能進行分析，并與相關研究進行對比，可以得出以下分析結果：

⑴由于FRP 筋抗拉性能比鋼筋好，故FRP 筋混凝土梁的梁底抗拉性能比相應的鋼筋混凝土梁的梁底抗拉性能好。

⑵由于FRP 筋抗彎性能較鋼筋差，故FRP 筋混凝土梁的整體抗彎性能不如相應的鋼筋混凝土梁。因此，純FRP 筋混凝土梁的整體受力性能不如部分FRP 筋的鋼筋混凝土梁。FRP 筋加固混凝土梁時，只需將部分鋼筋替換為相應FRP 筋即可。

3 結語

本文主要從FRP 筋加固混凝土梁有限元模型的建立、受力性能分析等方面，對FRP 筋加固混凝土梁的受力性能進行了有限元分析，為相關的工程技術人員人員提供一定的參考。