前言
随着城市建设的迅猛发展, 现代建筑产业对建筑材料及其承载性能愈加关注, 其中, 碳纤维混凝土 (Carbon Fiber Reinforced Concrete, 简称CFRC, 即将一定长度碳纤维按一定比例掺入钢筋混凝土进行加固的复合材料) 成为国外建筑产业广泛关注并逐步推广使用的新型建筑材料。本文运用有限元及试验测定的方法, 研究了掺入碳纤维的钢筋混凝土梁的变形与开裂性能, 从而探索了CFRC梁的承载性能研究方法。
1 梁的有限元非线性计算与模拟
根据钢筋混凝土的配置, 采用有限元程序ABAQUS对梁的弯曲过程进行了计算分析。
1.1 有限元计算模型
采用程序中用于计算钢筋混凝土的分离式模型, 即钢筋单元和混凝土单元只在节点上位移协调;将纤维作为混凝土中的细微钢筋来处理, 根据其在混凝土中的分散情况和体积率进行参数设置。
文献【1】指出, 当碳纤维体积掺量为0.24%时, CFRC具有最大的承载强度, 因此计算中将碳纤维体积比选为0.24%。
模型单元划分如图1所示, 包括混凝土模型单元和钢筋 (纵向受力钢筋、横向箍筋) 单元。
计算模型中的混凝土的本构关系按《混凝土结构设计规范》中建议的上升段和水平段组成, 如图2所示;钢筋的本构关系统一采用图4表达的变化规律和数据。破坏强度准则采用三轴受力状态下的五参数混凝土强度准则。
图2钢筋混凝土本构关系 (a) 混凝土本构关系 (b) 钢筋本构关系Fig.2 Constitutive relations of concrete and steel bar (a) concrete (b) steel bar
1.2 有限元计算结果
本文分别计算了不掺碳纤维的普通素混凝土梁和加入碳纤维的CFRC梁两种情况。
1.2.1 梁的裂纹开展与开裂荷载
观察计算结果发现, 素混凝土梁在荷载20k N时, 中间纯弯曲段的拉伸侧出发生了细微的开裂, 裂缝与纵向垂直。
由图3比较计算结果可以发现, 与素混凝土普通梁相比, 掺入碳纤维的CFRC梁的开裂荷载略大, 相同荷载条件下, CFRC梁的裂纹发展范围较窄, 深度明显较小, 但随着荷载的增大, 裂纹的发展与素混凝土梁的差异不大。
图3裂纹开展情况计算结果比较 (a) 素混凝土梁, 加载20k N (b) CFRC梁, 加载20k N (c) 素混凝土梁, 加载40k N (d) CFRC梁, 加载40k NFig.3 Comparisons of cracking calculation results (a) concrete beam with load 20k N (b) CFRC beam with load20k N (c) concrete beam with load 40k N (d) CFRC beam with load40k N
1.2.2 梁的弯曲挠度
本文计算了加载过程中各点的竖向位移, 其中跨中挠度随荷载的变化关系如图4所示。
2 梁的弯曲试验
本文对不掺加碳纤维的混凝土梁和相同尺寸的CFRC梁进行了加载试验, 测定了梁的承载性能, 主要是跨中挠度、开裂荷载和裂纹发生情况。
2.1 试验方法及试件制备
本试验对变形的测量采用的是百分表和位移计, 在跨中位置安放位移计和百分表, 位移计可采用半桥接法, 由DH5922动态信号测试分析系统自动读取, 百分表采用的是人工记录的方法, 每隔2k N记录一次数据, 在两端的支座处分别布置两个百分表, 测量变形情况, 其布置位置见图5所示。
为了得出掺入碳纤维对钢筋混凝土梁的承载变形性能及开裂的影响, 本文分别制备素混凝土梁及掺入不同长度碳纤维混凝土的弯曲梁试件, 如图6。配置参数见表1。
2.2 试验结果
试验结果如表2。
3 计算值与试验测量值的比较
3.1 计算开裂荷载与试验计算值的比较
文献【3】提出了CFRC梁开裂荷载的计算表达式,
该式是基于开裂时混凝土受压区应力呈三角形分布, 而受拉区应力呈曲线分布的假设建立的, 根据实验分别测定CFRC梁的混凝土、钢筋的拉、压应变, 由此式可计算出本文计算模型的开裂弯矩及开裂荷载, 结果列于表2。结果可见, 试验测定弯矩值与上述有限元的计算结果吻合度较好。
3.2 计算挠度与试验测量值的比较
从图4可见, 有限元计算值与试验测量值具有很好的吻合度, 尤其是在加载的后期,
3结论
(1) 有限元计算证明, 式 (1) 对计算CFRC梁的开裂荷载具有较好的精确性与吻合度。
(2) 有限元计算及弯曲试验证明, 掺入适当的碳纤维可以有效提高梁的抗弯能力, 推迟开裂的发生和发展。
摘要：本文采用有限元计算及试验测定的方法, 对碳纤维钢筋混凝土梁的弯曲变形及开裂进行了分析, 探索了碳纤维钢筋混凝土结构的承载性能研究方法。
关键词：碳纤维,混凝土,有限元,弯曲
参考文献
[1] 周乐, 王晓初, 刘洪涛.碳纤维混凝土力学性能与破坏形态试验研究[J].工程力学, 2013 (6) :226-231
[2] 江见鲸, 陆新征编著, 混凝土结构有限元分析[M], 北京:清华大学出版社, 2013:67-77
[3] 王晓初, 刘洪涛.碳纤维混凝土受弯构件抗弯性能试验研究[J].混凝土, 2013 (8) :129-132.