FRP筋增强不同骨料混凝土轴压构件力学性能数值分析.pdf

1951 建 筑 技 术 Architecture Technology第 54 卷第 16 期 2023 年 8 月Vol.54 No.16 Aug.2023FRP 筋增强不同骨料混凝土轴压构件力学性能 数值分析关纪文，杨汉宁，李 真，叶 兰（南宁学院土木与建筑工程学院，530200，南宁）摘要：为了研究 FRP 筋种类、混凝土骨料对轴心受压构件力学性能的影响，将 CFRP 筋、GFRP 筋作为内部增强筋，分别研究普通混凝土柱、轻骨料混凝土柱、珊瑚混凝土柱的轴心受压力学行为。基于 FRP筋材试验以及 3 种不同骨料混凝土的本构模型，采用 ABAQUS 建立 FRP 筋增强试件有限元分析模型，并对该模型进行轴心受压数值模拟分析。结果显示，3 种不同骨料混凝土柱接近破坏时，其内部 GFRP 筋的平均应力值均约等于 CFRP 筋平均应力值的 75.31%。基于现行规范，提出 FRP 筋增强混凝土构件轴心受压计算方法，其理论计算值与有限元计算结果吻合度较高，可为工程设计提供参考依据。关键词：FRP 筋；珊瑚混凝土；轴压力学性能中图分类号：TU 377.9 文献标志码：A 文章编号：1000-4726(2023)16-1951-05NUMERICAL ANALYSIS OF MECHANICAL PROPERTIES OF AXIALLY LOADED MEMBERS WITH DIFFERENT AGGREGATE CONCRETE REINFORCED WITH FRP BARGUAN Ji-wen,YANG Han-ning,LI Zhen,YE Lan(College of Architectural and Civil Engineering,Nanning University,530200,Nanning,China)Abstract:To study the influence of FRP bar types and concrete aggregate on the mechanical properties of axially loaded members,CFRP and GFRP bars were used as reinforcement.The mechanical behaviors of ordinary concrete column,light aggregate concrete column,and coral concrete column were studied,respectively.Based on the constitutive model of these three different aggregate concrete and FRP reinforcements,the models of FRP reinforcement specimen were established and simulated by ABAQUS.The results show that the average stress of internal GFRP bars is about equal to 75.31%of that of CFRP bars when the specimen closed to failure.Subsequently,based on the current specification,the calculation method of axially loaded concrete columns with FRP bar reinforced is proposed,the theoretical calculation values agreed well with the finite element calculation results,which provides a reference for engineering design.Keywords:FRP bar;coral concrete;axially loaded mechanical properties钢筋混凝土结构、钢混结构以及钢结构各有优势，是当今土木工程应用中的主流结构。它们在发挥优良特性的同时，在工程实践中也暴露出了一些问题，最突出的问题是钢材耐腐蚀性能差，从而导致结构的耐久性降低或结构功能不足。如今，关于 FRP 筋混凝土结构的研究已成为热潮，FRP 筋代替钢筋或预应力钢筋被应用在混凝土结构中以提高耐久性也成为一种趋势13。FRP 筋是由多股连续纤维和基体材料组成，最后经过特制的模具挤压成型的一种复合增强材料，其中纤维为增强材料起加劲作用，基体材料起粘结、传递剪力作用。应用比较广泛的有玻璃纤维增强聚合物（GFRP）、碳纤维筋增强聚合物（CFRP），具有密度小、抗拉强度高、耐腐蚀性强等优良性能46。目前，国内外已有大量关于FRP筋受弯构件的工程应用，主要集中在其良好的抗拉性能上，且正截面受弯承载力理论公式的研究也较为成熟78。然而，FRP 筋受压构件的工程研究与应用还未全面展开，关于 FRP筋受压构件的承载力理论公式尚不不完善。FRP 筋属于可压缩线弹性材料，没有明确的屈服定义，故无法直接定义其抗压强度值。本文基于 FRP筋材试验及 3 种不同骨料混凝土的本构模型，建立FRP 筋增强不同骨料混凝土数值分析模型；并基于该模型，对 6 根试件进行数值模拟受力分析，探讨不同骨料混凝土柱破坏时，FRP 筋破坏应力的变化情况，并提出对 FRP 筋抗压强度值进行折减后用于理论计收稿日期：20230613基金项目：广西高校中青年教师科研基础能力提升项目（2023KY1857）；广西高等教育本科教学改革工程项目（2021JGA379）作者简介：关纪文（1996），男，广西南宁人，硕士，e-mail:.建 筑 技 术第 54 卷第 16 期1952算的方法。1 试验概况1.1 FRP 筋受压性能试验试验采用 CFRP 纵向钢筋（以下简称“纵筋”），碳纤维质量率为 60%65%，其表面螺旋缠绕带肋，纵筋直径为 10 mm；GFRP 筋玻璃纤维质量率为 65%，直径均为 10 mm，其表面纤维丝螺旋缠绕不带肋。基于 JC/T 24062017室温下连续纤维增强陶瓷基复合材料压缩性能试验方法9，设计 3 组 FRP筋受压试件，长细比参数分别为 30、45、60，每组参数对应 3 个相同的试件。试件端部采用定制的碳钢套帽，灌注环氧树脂填充空隙，并在试件中部两侧贴上电子应变片量测应变值。GFRP 筋与 CFRP 筋力学性能指标见表 1，其应力 应变曲线如图 1 所示。1 0008006004002000应力/MPaCFRP 10 mmGFRP 10 mm硬钢应变/1060.005 0.01 0.015 0.02图 1 GFRP 筋与 CFRP 筋应力 应变曲线由此可见，FRP 筋材的应力 应变曲线与硬钢的应力 应变曲线相似，加载初期基本呈线性增长，但FRP 筋没有屈服点。表 1 GFRP 筋与 CFRP 筋力学性能指标种类直径/mm弹性模量/GPa抗压强度/MPaGFRP 1090.1676.2CFRP 10120.2458.61.2 混凝土力学性能选取同一强度等级 C 30 的 3 种骨料混凝土，量测其基本力学性能参数，具体见表 2。2 有限元模拟2.1 ABAQUS 模型建立建 立 尺 寸 为 150 mm150 mm500 mm 的 FRP筋的不同骨料混凝土柱有限元模型，纵筋设置为 4 根表 2 C30 混凝土基本力学性能参数混凝土类别表观密度/（kg/m3）泊松比立方体抗压强度/MPa珊瑚混凝土2 1000.2531.20普通混凝土2 4000.3032.40轻骨料混凝土1 8000.2030.41直径为10 mm的CFRP筋或GFRP筋，箍筋直径为6 mm，箍筋间距为100 mm，采用对称配筋方式。混凝土的单元类型使用连续实体单元C3D8R，CFRP筋采用T3D2单元10。为了使模拟结果更接近实际情况，将 FRP 筋与混凝土组合起来，并使用内置区域对两种材料进行约束1011。对构件施加边界条件时，先对柱底施加完全固定约束，再约束柱顶 6 个方向的自由度，并在轴向施加竖向位移。混凝土和纵筋按照 0.01 m0.01 m 的网格划分。2.2 材料本构模型2.2.1 FRP 本构模型FRP 筋的材料属性引用金属材料的经典塑性理论，各向同性由 Mises 屈服面来定义。FRP 筋本构关系采用理想弹塑性模型11，其表达式如下：s=Ess,s y（1）s=fy,y s s,h（2）tanyyf=（3）式中：s为钢筋拉应力；s为钢筋压应变；Es为钢筋的弹性模量；fy为钢筋的屈服强度；y为钢筋的屈服应变；s,h为应力强化起点对应的钢筋应变。2.2.2 珊瑚混凝土本构模型珊瑚混凝土本构模型12表达式如下。上升段为：23(32)(2)yaxa xax=+（4）下降段为：(1)xybbx=+（5）式中：x=/0，为应变，0为峰值应变；a、b分别为曲线上升段和下降段的控制参数。2.2.3 普通混凝土本构模型对于普通混凝土，使用文献 1314 提出的普通混凝土受压应力应变全曲线本构模型，这也是目前应用较为广泛的曲线之一。（1）普通混凝土受压应力应变本构模型：2023 年 8 月1953 关纪文，等：FRP 筋增强不同骨料混凝土轴压构件力学性能数值分析()()()232322,1,112aaadxxxxyxxx+=+（6）（2）普通混凝土受拉应力应变本构模型：()61.71.20.2,1,11txxxxyxxx=+（7）式中：a、d分别为普通混凝土单轴受压时上升段（x 1）、下降段（x1）的控制参数；t为普通混凝土单轴受拉时下降段（x1）的控制参数。2.2.4 轻骨料混凝土本构模型轻骨料混凝土的本构模型使用丁发兴等13提出的轻骨料混凝土单轴力学性能统一计算方法，该方法提供了适用于各种强度等级轻骨料混凝土的统一计算公式1516，轴心抗拉强度取平均值，ft=fcu/15。（1）轻骨料混凝土受压应力应变本构模型：21121121(1),11(2),1(1)A xBxxAxB xyxxxx+=+（8）式中：x=/c；A1=1.68103fcu1/6；B1=1.6(A11)2；1=2.5105fcu3；ft为轻骨料混凝土、抗拉强度设计值；fcu为轻骨料混凝土立方体抗压强度设计值；为相对影响系数，一般取 1.0。（2）轻骨料混凝土受拉应力应变本构模型：22222221(1),11(2),1(1)A xBxxAxB xyxxxx+=+（9）式中：x=/t；A2=1.5103fcu1/6；B2=1.6(A21)2；2=1+3.0fcu3104。2.3 计算结果与分析利用 ABAQUS 计算各试件的极限承载力、构件破坏时筋材应力值、筋材抗压强度值，具体见表 3。其中，CFRPO/C/L 表示采用 CFRP 筋增强普通混凝土/珊瑚混凝土/轻骨料混凝土；GFRPO/C/L 表示采用 GFRP 筋增强普通混凝土/珊瑚混凝土/轻骨料混凝土。由表 3 可知，各试件承载力相差不大，可见增强筋种类、混凝土骨料对构件承载力的影响甚微。然而，当构件发生破坏时，CFRP 筋的平均应力表 3 各试件计算结果试件编号构件极限承载力 Pc/kN构件破坏时筋材应力值 f/MPa筋材抗压强度值 fu/MPa100%uff构件破坏时筋材平均应力值/MPaCFRPO741154458.633.58%163.33CFRPC747153458.633.36%CFRPL732183458.639.90%GFRPO719120676.217.75%123GFRPC727115676.217.01%GFRPL726134676.219.82%值为163.33 MPa，约为GFRP筋平均应力值的133%；同时，CFRP筋的f/值明显大于GFRP筋，可见，CFRP筋作为轴压构件的增强筋，其强度利用率明显高于GFRP筋。在不同骨料混凝土试件中，FRP 筋的应力集中在中部位置，该位置 FRP 筋的塑性变形最大，同时对应构件处于临界破坏状态。总体而言，FRP 筋不同骨料混凝土试件的受力性能相似，其极限承载力相差不大。3 荷载 应力曲线分析3.1 FRP 筋 珊瑚混凝土试件FRP 筋 珊瑚混凝土试件荷载 应力曲线如图2 所示。由图 2 可知，随着荷载增大，试件 CFRPC与 GFRPC 内部纵筋的应力逐渐增大，两者斜率相差不大。但当构件发生破坏时，CFRP 筋的应力平均值为 163.33 MPa，GFRP 筋则为 123 MPa。8006004002000荷载/kNCFRPCGFRPC50 100 150 200 250 300应力/MPa图 2 FRP 筋 珊瑚混凝土试件荷载 应力曲线3.2 FRP 筋 普通混凝土试件在普通混凝土试件中，CFRP 筋和 GFRP 筋应力均在试件的中部最明显且应力集中区域较广。如图 3所示，当试件 CFRPO 和 GFRPO 达到临近破坏状态时，CFRP 筋破坏应力值为 153 MPa，CFRP 筋则为 115 MPa。建 筑 技 术第 54 卷第 16 期19548006004002000荷载/kNCFRPOGFRPO50 100 150 200应力/MPa图 3 FRP 筋 普通混凝土试件荷载 应力曲线3.3 FRP 筋 轻骨料混凝土试件FRP 筋 轻骨料混凝土试件荷载 应力曲线如图4 所示。由图 4 可知，当试件 CFRPL、GFRPL 处于临界破坏状态时，CFRP 筋和 GFRP 筋的破坏应力分别为 183 MPa 和 134 MPa，其值略高于 FRP 筋 珊瑚混凝土试件和FRP筋普通混凝土试件。原因在于，轻骨料混凝土脆性大、破坏突然，使得构件破坏后FRP 筋瞬间承受残余荷载。由此可见，FRP 筋 普通混凝土试件的承载性能比 FRP 筋 轻骨料混凝土试件更优越，但 FRP 筋轻骨料混凝土试件仍然具有一定的工程应用价值。8006004002000荷载/kNCFRPLGFRPL50 100 150 200应力/MPa图 4 FRP 筋 轻骨料混凝土试件荷载 应力曲线4 计算方法对比验证4.1 有限元模拟值与理论计算值对比通过试验与有限元模拟结果对比分析，CFRP 筋、GFRP 筋在不同骨料混凝土试件中的破坏应力分别为163 MPa、140 MPa。为了验证本文提出的计算方法的可行性，引用正截面轴心受压理论公式（式（10）进行计算，并将计算结果与ABAQUS有限元模拟值N进行对比，此处不考虑构件与混凝土试件之间的差异情况17，具体见表 4。（10）式中：Ncal为构件极限承载力理论计算值；为构件稳定性系数；fc为珊瑚混凝土抗压强度；A、Af表 4 模拟值与理论计算值试件编号NNcalN/NcalCFRPO7417221.026CFRPC7477500.996CFRPL7327390.991GFRPO7197161.004GFRPC7277440.977GFRPL7267320.992分别为构件、FRP筋的截面面积；f为FRP筋的受压破坏应力。4.2 理论计算值与文献试验值对比基于上述计算方法对文献 1819 提供的试验数据进行计算，并将计算结果与文献试验值 Ntest进行对比，具体见表 5。理论计算值与文献试验值比值 Ncal/Ntest均约等于 1.0，由此可见，该理论计算方法与文献试验实测值高度吻合，故满足工程设计要求。表 5 理论计算值与文献试验值试件编号NcalNtestNcal/NtestCFRPO722716.11.01CFRPC750736.11.02CFRPL739701.41.05GFRPO716708.41.01GFRPC744732.11.02GFRPL732706.11.045 结论（1）3 种不同骨料混凝土柱接近破坏时，其内部 GFRP 筋的平均应力值均约等于 CFRP 筋平均应力值的 75.31%。（2）不同骨料混凝土柱对 FRP 筋的影响不大，构件处于临界破坏状态时，CFRP 筋的平均破坏应力为 163.33 MPa，GFRP 筋的平均破坏应力为 123 MPa。（3）FRP 筋混凝土柱的承载性能比FRP 筋轻骨料混凝土柱更优越，后者可适用于不同工程环境下抗震等级和结构设计要求相对较低的工程实践。（4）ABAQUS 有限元模拟值与理论计算值、文献试验值高度吻合，故满足工程设计要求。参考文献1 解险峰,吴二军.FRP 筋混凝土构件受力性能的研究现状 J.江苏建筑,2008(4):2830,37.2 高丹盈,李趁趁,朱海堂.纤维增强塑料筋的性能与发展 J.纤维复合材料,2002,19(4):3740.3 王磊,陈武,段志刚,等.CFRP 筋 低强度珊瑚混凝土梁抗弯性能试验研究 J.铁道建筑,2018,58(8):1922,26.1955 建 筑 技 术 Architecture Technology第 54 卷第 16 期 2023 年 8 月Vol.54 No.16 Aug.2023CFRP 护套加固的低强钢筋混凝土柱数值建模研究寇大伦（云南官房建筑集团股份有限公司，650000，昆明）摘要：为了研究低强混凝土配筋柱在碳纤维增强聚合物（CFRP）加固后的受压行为，使用 ABAQUS软件对低抗压强度的钢筋混凝土柱进行数值模拟及参数分析，采用三维实体单元和三维桁架单元分别对混凝土柱及钢筋进行建模，采用混凝土损伤塑性模型考虑基体压缩和拉伸的损伤。结果表明：相比配筋柱，采用3 mm CFRP 护套加固的低强钢筋混凝土柱的承载力提高 34%。对于不同基体强度的混凝土配筋柱，CFRP 护套存在最优加固厚度。关键词：CFRP；结构加固；钢筋混凝土柱；数值建模中图分类号：TU 352.11；TU 377 文献标志码：A 文章编号：1000-4726(2023)16-1955-05NUMERICAL MODELLING STUDY OF LOW-STRENGTH REINFORCED CONCRETE COLUMNS REINFORCED BY CFRP SHEATHINGKOU Da-lun(Yunnan Guanfang Construction Group Co.,Ltd.,650000,Kunming,China)Abstract:To investigate the compressive behavior of low-strength concrete reinforced columns after reinforcement with carbon fiber reinforced polymer(CFRP),numerical simulations and parametric analysis of low compressive strength reinforced concrete columns were carried out using ABAQUS software by modeling the concrete columns and reinforcement using three-dimensional solid units and three-dimensional truss units respectively.The damage plastic model of concrete was used to consider the compressive and tensile damage of matrix.The results show that,the load carrying capacity of low strength reinforced concrete columns reinforced with 3 mm CFRP sheathing is 34%higher than that of reinforced columns.The CFRP sheath has an optimum reinforcement thickness for concrete-reinforced columns with different matrix strengths.Keywords:CFRP;structural strengthening;reinforced concrete column;numerical modelling混凝土作为建筑行业中非常常见的材料之一，其强度较高且成本相对较低，因此被广泛应用。然而，由于混凝土材料的抗拉强度有限，混凝土结构在使用中的任何阶段都可能出现裂缝，从而危及其耐久性。这些裂缝可能扩展到砂浆基体中，进而降低混凝土材料的力学性能1。在我国乡村地区，自制的混凝土建筑物属于一种经济且常见的建筑，其数量巨大。然而收稿日期：20230525作者简介：寇大伦（1975），男，云南昆明人，高级工程师，e-mail:.4 薛伟辰,郑乔文,杨雨.FRP 筋混凝土梁正截面抗弯承载力设计研究 J.工程力学,2009,26(1):7985.5 朱虹,董志强,吴刚,等.FRP 筋混凝土梁的刚度试验研究和理论计算 J.土木工程学报,2015,48(11):4453.6 FARGHALY A S,TOBBI H,BENMOKRANE B.Concrete columns reinforced longitudinally and transversally with glass fiber-reinforced polymer barsJ.ACI Structural Journal,2012,109(4):551558.7 邓宗才,张秀丽.GFRP 筋纤维混凝土圆柱轴压性能研究 J.哈尔滨工程大学学报,2018,39(10):16171624.8 混凝土结构设计规范:GB 500102010S.9 室温下连续纤维增强陶瓷基复合材料压缩性能试验方法:JC/T 24062017S.10 周静海,杨永生,焦霞.再生混凝土柱轴心受压承载力研究 J.沈阳建筑大学学报(自然科学版),2008(4):572576.11 牛建刚,冯雪磊,陈旭.塑钢纤维轻骨料混凝土短柱轴压性能试验研究 J.硅酸盐通报,2018,37(12):38663871.12 于萍.粉煤灰陶粒混凝土的性能研究 D.大连:大连交通大学,2009.13 丁发兴,应小勇,余志武.轻骨料混凝土单轴力学性能统一计算方法 J.中南大学学报(自然科学版),2010,41(5):19731979.14 TOBBI H,FARGHALY A S,BENMOKRANE B.Behavior of concentrically loaded fiber-reinforced polymer reinforced concrete columns with varying reinforcement types and ratiosJ.ACI Structural Journal,2014,111(2):375386.15 达波,余红发,麻海燕,等.全珊瑚海水混凝土单轴受压应力 应变全曲线试验研究 J.建筑结构学报,2017,38(1):144151.16 过镇海,张秀琴,张达成,等.混凝土应力 应变全曲线的试验研究 J.建筑结构学报,1982(1):112.17 王世光.GFRP 筋混凝土中长柱轴压性能研究 D.沈阳:沈阳建筑,2019.18 李永辉.CFRP 筋混凝土柱正截面承载力研究 D.西安:西安理工大学,2010.19 张新越,欧进萍.FRP 加筋混凝土短柱受压性能试验研究 J.西安建筑科技大学学报(自然科学版),2006,38(4):467472.