聚丙烯纤维混凝土梁试验研究及非线性数值分析.pdf

2 0 1 3年第 2期 2月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C 0NCRE T E AND C E MENT P ROD UC T S 2 01 3 No 2 F e b r u a r y 聚丙烯纤维混凝土梁试验研究及非线性数值分析 李艳 艳 ，一 ， 李 强 。 ， 涂金 龙 1 ,2 ， 刘 坤 ( 1 河北工业大学土木工程学院， 天津 3 0 0 4 0 1 ； 2 河北省土木工程技术研究中心 ， 天津 3 0 0 4 0 1 ； 3 唐山学院 ， 0 6 3 0 0 0； 4 河北工业大学校园规划处 ， 天津 3 0 0 1 3 0 ) 摘 要 ：为研 究聚 丙烯纤维混凝土结构 的受力性能 ，对 6根不 同掺入 量的聚 丙烯 纤维混凝 土梁进行 了试验研 究 ， 并利用 ANS YS有限元分析软件对其 受力过程进行 了非 线性数值仿真模拟 。 研究结果表明 ： 掺入聚 丙烯 纤维的混 凝土 梁裂缝 宽度较相 同条件 下未掺入聚 丙烯纤维的混凝土 梁小，聚 丙烯 纤维能够提 高混凝 土梁的抗裂性能 ；配置 HR _ B 5 0 0级钢 筋的聚 丙烯 纤维混凝土 梁在使 用阶段 能够满足 混凝 土结构设计规 范 ( G B 5 0 0 1 0 2 0 1 0 ) 裂缝宽度 限 值的要 求； 非线性有 限元数值模拟 结果 与试验 结果吻合较 好 ， 该方 法能够有效地模拟聚 丙烯 纤维混凝土梁的受 力过 程 。 关键 词 ： 高强钢筋 ； 混凝土梁 ； 聚丙烯 纤维； 裂缝 宽度 ； 数值 分析 Ab s t r a c t ：I n o r d e r t o i n v e s t i g a t e t h e me c h a n i c al p r o p e r t i e s o f p o l y p r o p y l e n e fib e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t r u c t u r e ，6 p o l y p r o p y l e n e fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a ms wh i c h h a v e d i f f e r e n t d o s a g e s o f p o l y p r o p y l e n e fi b e r a r e a n a l y z e d ，a n d u s i n g t h e fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s s o f t wa r e ANS YS ，n o n l i n e a r n u me r i c a l s i mu l a t i o n f o r t h e p r o c e s s o f e x p e ri me n t i s c a r r i e d o u t I e r e s u h s s h o w t h a t t h e c r a c k wi d t h s o f p o l y p r o p y l e n e fi b e r c o n c r e t e b e a m a r e s ma l l e r t h a n t h e u n i n c o r p o r a t e d o n e s t h e p o l y p mp e n e fi b e r c a n i mp r o v e t h e c r a c k r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e b e a m s n 1 e p o l y p r o p y l e n e fi b e r c o n c r e t e b e a m s r e i n f o r c e d wi t h HRB5 0 0 c a n me e t t o t h e r e q u i r e me n t s o f t h e c r a c k wi d t h l i mi t s o f” De s i g n S p e c i fi c a t i o n o f C o n c r e t e S t r u c t u r e s ”f GB 5 0 0 1 0 2 0 1 0 )d u ri n g t h e u s i n g p h a s e A n d t h e n o n l i n e a r fi n i t e e l e m e n t n u m e ri c a l s i m u l a t i o n a g r e e s w e l l w i t h t h e e x p e rime n t a l r e s u l t s ，wh i c h i n d i c a t e s t h a t t h i s me t h o d c a n e f f e c t i v e l y s i mu l a t e t h e f o r c e p r o c e s s o f p o l y p r o p y l e n e fib e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a ms Ke y wo r d s ： Hi g h s t r e n g t h s t e e l b a r ； C o n c r e t e b e a m； P o l y p r o p y l e n e fi b e r ； C r a c k wi d t h ； Nu me ri c a l a n a l y s i s 中图分类号 ： T U 5 2 5 文献标 识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 3 ) 0 2 - 5 3 0 4 0前 言 HR B 5 0 0级钢筋作为 G B 5 0 0 1 0 -2 0 1 0 混凝土 结构设计规范 推荐采用 的受力主筋 ，具有强度 高 ， 延性好 、 降低材料消耗等优点 ， 但对于提高构件 的变形能力的作用并不明显 ， 可能导致结构出现过 大的裂缝从而不能满足结构 的适用性要求圆 。而聚 丙烯纤维作为一种增强材料 ， 可以有效增强混凝土 抗 冲击性及柔 韧性 ， 提高普 通混凝 土力学性能l3 。 可见 ， 在高强钢筋混凝土中掺入适量聚丙烯纤维成 为一 种提高强钢筋混凝土构件抗裂性能 的科 研思 路 。同时 ， 现有文献 中虽然也有一些聚丙烯纤维混 凝土数值模拟 的分析 5 - 7 ， 但是对配置 HR B 5 0 0级钢 筋 的聚丙烯 纤维混凝土构件 的受力性能 的数值模 拟分析尚未发现。因此 ， 本文通过配置 高强钢筋的 聚丙烯纤维混凝 土梁的受弯试验来分析聚丙烯纤 维对混凝土抗裂性能 的影响 ， 并在试验分析基础上 利用有限元软件 A N S YS模拟聚丙烯纤维混凝土梁 基金项 目： 河北省 自然科学基金项 目( E 2 0 0 9 0 0 0 0 7 3 ) 。 的工作性能。 1 试验 概 况 对 6根不同聚丙烯纤维掺入量 的配置 HR B 5 0 0 级钢筋的混凝土梁进行了受弯性能试验 ， 构件分为 L 、 L X A及 L X B三组 ， 每组两根混凝土梁。其中， L 系列的混凝 土梁未掺人 聚丙烯纤 维 ， L X A、 L X B 系列为掺人定量聚丙烯纤维 的混凝土梁 ， 其掺入量 分别为 0 9 k g m 和 1 2 k g m 。本试验皆为破坏性试 验 ， 采用两点对称集 中加载方式 。试验梁的截面形 式如图 1所示 ， 配筋情况如表 1所示。聚丙烯纤维 的参数如表 2所示 ， 混凝土及 H R B 5 0 0级钢筋的相 关力学性能如表 3 、 表 4所示 。 图 I 加 载装 置及 截面形式 L_ J A A 一 5 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年第 2期 混凝土与水泥制品 总第 2 0 2期 表 1 试件配筋情况 构件 ， ， 注 ： 0 0 一混 凝 土 立 方 体 1 0 0 mmx 1 0 0 mmx 1 0 0 mm抗 压 强 度 ； 一 混凝土标准 立方体 1 5 0 m mx 1 5 0 m mx 1 5 0 ram抗压 强 度 ， 一混凝土轴心抗压强度 ； 一 混凝 土抗拉强度。 表 4 HR B 5 0 0级钢筋实测材料性能 2试验 结果 分析 2 1 试验现象 在试 验施加荷载作用下 ， L系列在梁 的跨 中纯 弯段范围内首先出现竖直裂缝 ， 随着试验荷载的不 断增加 ， 裂缝数量逐渐增多 ， 裂缝宽度也在增大 ， 但 是裂缝 间距却不断减小 ， 当试验加载逐渐接近试验 梁的极限荷载时，试验梁的裂缝数量趋于稳定 ， 裂 缝 间距不再变化 ，但是裂缝 的宽度却增长较快 ， 尤 其是纯弯段 内的主裂缝宽度增加最快 ， 直到试验结 束。掺入定量聚丙烯纤维的 L X A、 L X B系列的试 件裂缝发展规律与 L系列试件基本一致 ，但是同 L 系列试件相 比， L ) ( A、 L X B系列试件 的裂缝数量更 多 ， 平均间距也明显减小 ， 如图 2所示 。由此可知 ， 掺人聚丙烯纤维的试验梁裂缝数量更多 ， 通过更多 的裂缝来承担试验梁开裂的能量 ， 从而提高 了试件 的抗裂能力 。 2 2 裂缝宽度及限值分析 G B 5 0 0 1 0 -2 0 1 0在正常使用状态验算时规定 ： “ 三级裂缝控制等级时 ，钢筋混凝土构件 的最大裂 缝宽度可按荷 载准永久组合并考虑长期作用影 响 的效应计算 ， 三级裂缝控制等级是允许 出现裂缝的 构件” 11 ，即文中试验梁均属于三级裂缝控制构件 ， 其 最 大 裂 缝 宽 度 不 应 超 过 最 大 裂 缝 宽 度 限值 0 3 mm。依据试验实测的短期裂缝宽度乘以长期荷 载作用下 的裂缝增大系数 1 5 ，得到推算 的使用阶 段裂缝宽度 ， 并与 O 3 ram的限值 进行 比较 ， 结果如 表 5所 示 。 从试验计算结果表 5可 以得 出 ， L x1 一 A裂缝 宽度 为 L 1 裂缝宽度的 8 7 1 2 ， L X1 - B裂缝宽度为 L 1 裂缝宽度的 8 7 4 3 ， L ) ( 2 一 A裂缝宽度为 L 2裂缝 5 4 图 2 裂缝分布示意 图 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 李艳艳 ， 李 强， 涂金龙 ， 等聚丙烯纤维混凝土梁试验研究及非线性数值分析 表 5 使 用阶段试验梁裂缝宽度 注 ： I ) 。 短期 最大裂缝 宽度的实测值 ； 一 推算的长期 最大裂缝宽度 。 宽度的 8 1 5 9 ， L X2 一 B裂缝宽度为 L 2裂缝宽度 的 8 1 7 8 。即掺入 O 9 k g m。 及 1 2 k g m 。 的聚丙烯纤维 可使试验梁的正常使用阶段裂缝宽度减小 ， 且减小 数值相差不多。由此可见 ， 聚丙烯纤维的掺入能够 有效 的减小高强钢筋混凝土梁 的裂缝宽度 ， 从而提 高混凝土梁 的抗裂性能 。同时 ， 试验梁在使用阶段 裂缝宽度值 都小于 0 3 mm， 按 G B 5 0 0 1 0 -2 0 1 0 ( 混 凝土结构设 计规范 规定 ， 配置 HR B 5 0 0级钢筋 的 聚丙烯纤维混凝土受弯梁在使用 阶段能够满足裂 缝宽度限值的要求。 3 数值模拟分析 3 1 模型建立 结合 A N S Y S中钢筋混凝土整体式和分离式 的 两种建模 思路罔， 把聚丙烯纤维作为一种类似钢筋 的加强材料和混凝 土整体式建模 ， 钢筋和混凝土还 是 以分离式建模 。混凝土采用钢筋混凝土实体单 元 S o l i d 6 5 ， 钢 筋采用 L i n k 8单元 ， 聚丙烯纤维按掺 量在混凝土实常数设置中输入三个方 向的体积率。 依据试验情况 ， 为避免应力集 中现象 ， 在两个支座 处设置刚性垫块 ， 采用 S o l i d 4 5单元 ， 混凝土破坏准 则采用 Wi l l i a n o p w a n k e 5参数强度准则 ，其参数 设置参照相关文献【8 J 叫 ， 裂缝处理方式为弥散 固定裂 缝模型。混凝土及钢筋的计算模型如图 3所示 。 ( a )混凝土 ( b ) 钢筋 图 3 混凝土 和钢筋 的计算模 型 3 2 本构关系 ( 1 ) 混凝土的本构关系采用 G B 5 0 0 1 0 -2 0 1 0给 定 的曲线 ，采用 A N S YS中的多线性各 向同性强化 ( MI S O) 模型。 ( 2 ) 钢筋 的本构关 系按 理想弹塑性考虑 ， 采用 A N S Y S中的双线性各 向同性强化( B I S O) 模型【 “ 】 。 ( 3 ) 聚丙烯纤维采用理想 线性模型 ， 采用 厂家 提供 的弹性模量和泊松 比。 3 3 计算结果对比 ( 1 ) 试验梁极限荷载有限元数值模拟结果 和试 验结果对 比如表 6所示。 由表 6可 以看出 ， 6根试验梁 的极限荷载 的模 拟结果与试验值相差很小 ，最大差值仅为 5 3 ， 模 拟效果较好。 ( 2 ) 试验梁有 限元数值模 拟裂缝 开展 图如 图 4 表 6 极 限荷载对 比表 所 不 。 由图 4可 以看出 ， 其裂缝分布规律与分布范围 与试验现象( 图 2 ) 相符 ， 裂缝首先出现于纯弯段 ， 加 载 中后期 ， 混凝土梁弯剪区段陆续出现裂缝 ， 可见 裂缝分布模拟结果较好。 ( 3 ) 试验测得跨 中纯弯段纵筋应变发展情况 ， 一 5 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年第 2期 混凝土与水泥制品 总第 2 0 2期 一 ： ： 。 ； T n1 4 7 1 5 4 LL 一 L 一 图 4 L XI - B裂 缝 开 展 作荷载一 钢筋应力 曲线对比， 如图 5所示。 由试验梁 L XI B的纵筋荷载一应力曲线可 以 看出， 模拟值与试验值吻合较好 ， 当荷载大于 6 0 k N m时， 模拟值与试验值之间差值逐渐增大 ， 这主要是 钢筋建模时采用理想弹塑性模型的结果 。 昌 Z 铺 挺 1 4 O 1 2 0 1 o 0 8 0 6 0 4 0 2 0 O 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 应力 MP a 图 5 L X1 一 B荷 载 一 钢 筋 应 力 曲线 ( 4 ) 试验梁荷载一 挠度曲线对 比 试 验梁 L X1 一 B荷 载一 挠 度 曲线 如 图 6所 示 ， A N S Y S计算结果与试验实测值 曲线发展规律一致 ， 差 值在 1 0 以内 ，最大差值 出现 在荷 载加载 2 O 4 0 k N m的范 围内。主要原 因是在这个荷载范围内 混凝 土开裂 ， 而在建立有限元模 型时 ， 没有考虑各 种材料之间的粘结力 ， 导致在刚开裂 的这段区域计 算值与实测值产生相对较大的差值。 昌 Z 铺 挺 1 4 0 1 2 0 1 0 0 8 O 6 0 4 0 2 O O O 5 1 O 1 5 2 0 2 5 挠度 mm 图 6 L X1 - B荷载一 挠度曲线 通过对试件 的极限荷 载 、 裂缝开展 图、 跨 中纯 弯段纵筋 的荷载一 应力曲线 以及荷载一 挠度 曲线 的 数值模拟值与试验值的对比， 发现模拟值与实测值 吻合较好 ， 说明采用本文 的有 限元模型和建模方法 一 5 6一 是正确的， 能够有效模拟高强钢筋聚丙烯纤维混凝 土梁 的受 力过程 。 4结论 ( 1 ) 聚丙烯纤维混凝土受弯梁和未掺入聚丙烯 纤维 的混凝土受弯梁裂缝发展规律相 同， 但掺人聚 丙烯纤维的混凝土梁裂缝细而密 ， 裂缝宽度较同条 件下未掺入 聚丙烯纤维的混凝土梁小 ， 掺入聚丙烯 纤维能够有效提高混凝土梁的抗裂性能。 ( 2 ) 配置 H R B 5 0 0级钢筋的聚丙烯纤维混凝 土 梁在正常使用极 限状态能 够满 足 G B 5 0 0 1 0 -2 0 1 0 混凝土结构设计规范 裂缝宽度限值的要求 。 ( 3 ) 采用 A N S Y S有 限元 软件对聚丙烯纤 维混 凝土进行非线性数值模拟 ， 计算结果与试验值较为 接近 ， 差值在 1 0 以内 ， 该方法能够有效的模拟聚 丙烯纤维混凝土梁的受力性能。 参考文献 ： 1 G B 5 0 0 1 0 2 0 1 0混凝土结构设计规 范 S 】 北京 ： 中国建 筑 工业 出版社 ， 2 0 1 0 2 】 李艳 艳 配置 5 0 0 M P a钢筋 的混 凝土 梁受力性 能 的试 验 研究【 D 天津 ： 天津大学 ， 2 0 0 8 3 孙家瑛 聚丙烯纤维对 高性能混凝 土抗折强度 、 抗 冲击 性 能影响研究 J 混凝土， 1 9 9 9 ( 6 ) ： 1 9 2 1 【 4 朱江， 苏健 波 聚丙烯纤维混凝土 的力 学性 能研究 J 广西 工学院学报 ， 2 0 0 0 ， 1 1 ( 2 ) ： 6 0 6 4 【 5 王金 晶， 刘志奇 透 水性 聚丙 烯纤维混 凝土 的耐久性研 究 J 1 混凝土， 2 0 0 9 ( 1 1 ) ： 3 1 3 3 6 6 隋红军 ， 贾宝新 聚丙烯纤维 混凝土 锚喷结构 内力有 限元 分析【 J 】 科学技术与工程， 2 0 0 7 ， 7 ( 1 5 ) ： 1 6 0 1 6 5 7 】 吴永详 马洪 旺 聚丙烯纤 维混凝土 抗拉增韧 性能 的初探 及其在 地铁 各工程 中的试 用【 J 四川 I 建筑 科学研 究 ， 2 0 0 9 ， 3 5 ( 5 ) ： 1 6 7 - 1 7 0 8 】 江见鲸 ， 陆新征 钢筋混凝 土结 果有限元分析 M 北京 ： 清 华大学出版社 ， 1 9 9 8 9 】 胡 飞玲 ， 聚丙烯纤 维混凝 土梁 的试 验分 析【 D 浙江 ： 浙江 大学， 2 0 0 4 1 0 】A F A s h o u r ，C T M o r l e y ，T h r e e d i me n s i o n a l n o n l i n e a r fi n i t e e l e m e n t mo d e l i n g o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t r u c t u r e s【 J F i n i t e E l e m e n t s i n A n a l y s i s a n d D e s i g n ， 1 9 9 3 ， 1 5 ( 1 ) ：4 3 - 5 5 【 1 1 C h a b o c h e儿 ， C o n s t i t u t i v e e q u a t i o n s f o r c y c l i c p l a s t i c i t y a n d c y c l i c v i s c o p l a s t i c i t y 【 J 1 I n t e rna t i o n a l J o u rna l of P l a s t i c i t y ， 1 9 8 9 ， 5 ( 3 ) ： 2 4 7 3 0 2 收稿 日期： 2 0 1 2 1 2 2 8 作者简 介： 李艳艳( 1 9 7 9 一 ) ， 女 ， 博士 、 副教授 。 通讯地址 ： 天津市北 辰区辰达路 听景园 联 系电话 ： 1 3 9 2 0 1 7 7 9 0 4 E ma i l ： n ic o l e _8 2 01 6 3 c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m