FRP筋增强钢-ECC组合梁负弯矩区力学性能研究.pdf

56交通科技与管理工程技术0引言由于波纹钢腹板组合梁具有抗剪能力强等特点1-2，近年来在钢 混凝土组合梁中得到了广泛的应用。但在组合梁桥的负弯矩区，混凝土桥面板容易受拉而开裂，从而降低结构的承载力和耐久性3。因此，研究波纹钢腹板组合梁在负弯矩作用下的力学性能是非常必要的。纤维增强聚合物复合材料（Fiber Reinforced Polymer，FRP）具有轻质高强、施工便捷、耐腐蚀性和耐久性好等优点4。将 FRP 筋代替普通钢筋可以避免普通钢 混凝土组合梁中钢筋锈蚀而引起结构承载力下降等问题。纤维增强水泥基复合材料（Engineered Cementitious Composite，简称 ECC）是一种具有非常好的韧性、抗裂性的新型建筑材料5，FRP 筋与 ECC 复合使用，可以代替组合梁负弯矩区的钢筋混凝土，从根本上解决负弯矩区组合梁容易开裂的问题。截至目前，关于 FRP 筋与 ECC 复合使用在波纹钢腹板组合梁负弯矩区的研究非常有限，相关参数研究也不够全面。因此，有必要对 FRP 筋增强波纹钢腹板-ECC组合梁负弯矩区进行参数化研究。该 文 通 过 有 限 元 分 析 了 FRP 筋 增 强 波 纹 钢 腹板-ECC 组合梁负弯矩区的力学性能，探讨了 ECC 强度、BFRP 筋配筋率和波纹钢腹板强度等因素对 FRP 筋增强波纹钢腹板-ECC 组合梁负弯矩区力学性能的影响，为FRP 筋增强波纹钢腹板-ECC 组合梁在工程中的应用提供参考。1试验概况1.1试件设计该文对武芳文等5开展的 FRP 筋增强波纹钢腹板-ECC 组合梁（工况 SEB）负弯矩区进行了三点弯曲试验的有限元分析。该次有限元模拟的试件的相关尺寸等信息如图 1、图 2 所示。试件尺寸长度为 3 200 mm，ECC 翼缘板的板宽度和厚度分别为 600 mm 和 80 mm。钢梁采用 Q355 级的工字钢，ECC 翼缘板配置了 BFRP 纵向筋和横向筋，直径分别为 14 mm 和 10 mm，纵向筋间距 100 mm，横向筋间距 90 mm。组合梁布置有抗剪栓钉，并排放置成两排，横向和纵向间距分别为 80 mm 和 100 mm，直径和长度分别为 10 mm 和 40 mm。组合梁采用加载梁通过弹簧支座进行三点弯曲加载，加载方式示意图如图 2 所示。图 1试件设计（mm）收稿日期：2023-10-20作者简介：左海平（1990）,男,硕士研究生,讲师,研究方向：结构工程。基金项目：广西高校中青年教师科研基础能力提升项目“FRP 筋增强 ECC 桥面连接板优化设计及力学性能研究”（2022KY1400）；广西高校中青年教师科研基础能力提升项目“基于拉索减震支座技术的铁路连续梁抗震性能研究”（2023KY1440）；柳州铁道职业技术学院校级科研课题“CFRP 加固地铁车站中柱抗震性能和工程应用设计研究”（2022-KJB19）。FRP 筋增强钢-ECC 组合梁负弯矩区力学性能研究左海平,张钊,梁庆庆,赖世锦,甘珠成（柳州铁道职业技术学院,广西 柳州 545616）摘要为了研究 FRP 筋增强波纹钢腹板-ECC 组合梁负弯矩区的力学性能，对 FRP 筋增强波纹钢腹板-ECC 组合梁建立有限元模型，基于荷载挠度曲线和破坏形态验证了有限元模型的合理性。在此基础上，研究了 ECC 强度、BFRP 筋配筋率和波纹钢腹板强度等因素对 FRP 筋增强波纹钢腹板-ECC 组合梁负弯矩区力学性能的影响。研究结果表明：BFRP 配筋率对 FRP 筋增强波纹钢腹板-ECC 组合梁负弯矩区的承载力基本没有影响，设计建议按构造配筋率取值；随着ECC抗拉强度和波纹钢腹板强度的增加，FRP筋增强波纹钢腹板-ECC组合梁负弯矩区的承载力略微提高，但增幅不明显。关键词FRP-ECC 组合梁；负弯矩区；有限元分析；力学性能；波纹钢腹板中图分类号TU398.9文献标识码A文章编号2096-8949（2023）22-0056-042023 年第 4 卷第 22 期57交通科技与管理工程技术图 2加载方式示意图（mm）1.2材料性能试验前测得 ECC 立方体抗拉强度为 4.63 MPa，抗压强度为 50.3 MPa，弹性模量为 19.6 GPa。Q355 钢、栓钉及 BFRP 筋的材料力学性能参数如表 1 所示。表 1材料力学参数材料类型fu/MPafy/MPa弹性模量/GPaBFRP889.546.8Q355 钢501.4375.3209.8栓钉398.4310.1195.32有限元模型的建立该文采用 Abaqus 有限元软件建立了 FRP 筋增强波纹钢腹板-ECC 组合梁的有限元模型，模型如图 3 所示。图 3Abaqus 有限元模型根据试验的加载方案，该次模拟进行了简化。模型采用位移加载，支座处采用简支梁约束方式。ECC 翼缘板、工字型钢梁和抗剪栓钉均使用 C3D20R二次减缩积分单元进行建模，BFRP 筋采用 T3D2 桁架单元。BFRP 筋嵌入在 ECC 翼缘板内部，抗剪栓钉与钢梁之间使用绑定约束。模型使用 25 mm 作为基本尺寸进行了网格划分，波纹腹板的基本网格尺寸为 10 mm。参考 ECC 本构方程6，该文采用塑性损伤模型7来模拟 ECC 在三点弯曲荷载下的力学行为。由于试验中 BFRP 筋没有断裂，该文中 BFRP 筋的本构模型采用线弹性本构，钢材采用双折线弹塑性本构模型，应力 应变曲线如图 4 所示。3有限元模型验证如图 5 所示为 FRP 筋增强波纹钢腹板-ECC 组合梁的荷载 跨中挠度曲线的试验与有限元分析结果对比。图 4应力应变曲线由图 5 可以看出，有限元模拟的荷载 跨中挠度曲线和试验曲线基本吻合。试验最大跨中挠度 32 mm，对应的极限荷载为 306 kN，对应有限元分析得到荷载为282 kN，试验结果比有限元分析结果高出 7.8%，误差满足要求。如图 6 所示为试验破坏形态与有限元分析破坏形态的对比，由图 6 明显看出两者破坏形态较为吻合。有限元分析结果和试验结果荷载 跨中挠度及破坏形态的对比验证了该文建立的有限元模型的合理性。图 5有限元分析与试验荷载挠度曲线对比图 6有限元分析与试验破坏对比4FRP 筋增强波纹钢腹板-ECC 组合梁负弯矩区力学性能影响因素分析影响 FRP 筋增强波纹钢腹板-ECC 组合梁负弯矩58交通科技与管理工程技术区力学性能的因素包括 ECC 强度、BFRP 筋配筋率以及波纹钢腹板强度等因素。基于前述结论，该节将采用有限元模型对 FRP 筋增强波纹钢腹板-ECC 组合梁在不同ECC 强度、BFRP 筋配筋率和工字钢腹板强度等因素下的力学性能规律进行进一步分析。4.1不同 ECC 强度下 FRP 筋增强波纹钢腹板-ECC 组合梁负弯矩区力学性能以文献 5 的 FRP 筋增强波纹钢腹板-ECC 组合梁为基准，保持原有参数不变，仅改变 ECC 抗拉强度的大小来研究 ECC 强度对该组合梁负弯矩区力学性能的影响。该文选择了四组 ECC 抗拉强度进行对比分析，分别为3.63 MPa、4.63 MPa、5.63 MPa 和 6.63 MPa。当ECC抗拉强度分别为3.63 MPa、4.63 MPa、5.63 MPa和 6.63 MPa 时，组合梁负弯矩区的荷载 跨中挠度曲线如图 7 所示。从图 7 可以观察到，随着 ECC 抗拉强度的增大，FRP 筋增强波纹钢腹板-ECC 组合梁负弯矩区的承载力略微增加，但增幅不明显。因此，在工程设计中，不建议通过增大 ECC 抗拉强度来提高 FRP 筋增强波纹钢腹板-ECC 组合梁负弯矩区的承载力。图 7ECC 抗拉强度影响下的荷载 挠度曲线4.2不同 BFRP 配筋率下 FRP 筋增强波纹钢腹板-ECC组合梁负弯矩区力学性能以文献 5 中的 FRP 筋增强波纹钢腹板-ECC 组合梁为基准，保持原有参数不变，仅改变 BFRP 纵筋的配筋率来研究 BFRP 纵筋配筋率对该组合梁负弯矩区力学性能的影响。该文选择了四组配筋率进行对比分析，分别为 1.3%、2.3%、3.3%和 4.3%。当BFRP纵筋配筋率分别为1.3%、2.3%、3.3%和4.3%时，组合梁负弯矩区的荷载-跨中挠度曲线如图 8 所示。根据图 8 可见，随着 BFRP 纵筋配筋率的增加，FRP 筋增强波纹钢腹板-ECC 组合梁负弯矩区的承载力基本不发生变化。这是因为 BFRP 纵筋具有很高的强度，在工字型钢梁发生破坏时，BFRP 纵筋仍处于弹性阶段，并未发生断裂破坏。因此，在工程设计中，建议不将 BFRP 纵筋配筋率设置得过大，能够满足构造配筋率要求即可。图 8BFRP 配筋率影响下的荷载-挠度曲线4.3不同腹板强度 FRP 筋增强波纹钢腹板-ECC 组合梁负弯矩区力学性能以文献 5 中的 FRP 筋增强波纹钢腹板-ECC 组合梁为基准，保持原有参数不变，仅改变波纹钢腹板的强度来研究波纹腹板强度对该组合梁负弯矩区力学性能的影响。该文选择了四组波纹腹板强度进行对比分析，分别为 275 MPa、375 MPa、475 MPa 和 575 MPa。当波纹钢腹板强度分别为275 MPa、375 MPa、475 MPa和 575 MPa 时，组合梁负弯矩区的荷载 跨中挠度曲线如图 9 所示。从图 9 可以观察到，随着波纹钢腹板强度的增大，FRP 筋增强波纹钢腹板-ECC 组合梁负弯矩区的承载力略微增加，但增幅不明显。因此，在工程设计中，不建议通过增大波纹钢腹板的强度来提高 FRP 筋增强波纹钢腹板-ECC 组合梁负弯矩区的承载力。图 9波纹腹板强度影响下的荷载 挠度曲线5结语该文基于 Abaqus 对 FRP 筋增强波纹钢腹板-ECC 组合梁负弯矩区进行数值模拟，并进一步分析 FRP 筋增强（下转第 176 页）176交通科技与管理综合管理技术交流的主要目的是解决施工过程中可能出现的风险和隐患，并以安全技术措施为重点，向工长、班组长提供详尽的技术资料。要确保能够定期对两个或更多个工种进行交叉作业的作业班组进行书面交底，并且每次交底结束都要求进行签字确认。如果在工地上，有未按照要求和规范来使用防护用品、器具的个人，必须当场对其进行安全宣传，并处以罚金3。4.3针对物的危险状态方面的管理措施J 高速项目的桥梁桩基施工隐患大，桩基地质条件表现为黏土、粉砂、砂层，其中粉砂及细砂层厚约占孔深范围 1/2，无论采用哪一种机具成孔，面对这样的地质条件都是一种挑战。管理的措施是慎重选择施工作业队、优化设备选型、认真制定施工方案和工艺，加强施工过程各项技术指标控制、预先制定纠偏措施和应急预案，确保万无一失。5结论该文对 J 高速公路项目进行安全风险管理分析，采用项目管理中的安全风险管理理论对 J 高速公路建设项目暴露的安全风险问题进行识别、评价和给出项目安全管理的策略和措施。通过采用文献分析、访谈和查阅 J高速公路项目的施工资料对该项目的安全风险因素进行分类识别，然后运用专家的经验知识、三角模糊数和内容分析法来确定项目的安全风险因素的先验概率和条件概率，再运用贝叶斯网络对 J 高速公路项目安全风险因素进行评价，并针对J高速公路项目存在的安全风险因素，给出项目安全管理的策略和措施。为总结归纳此项目奠定了坚实基础，为相似项目提供了一定经验。参考文献1 周峰.山岭隧道塌方风险模糊层次评估研究 D.长沙：中南大学,2008.2 刘哲.基于 BIM 技术的市政道路桥梁设计探究 J.科技创新与应用,2020(23):102-103.3 毕星,翟丽.项目管理 M.上海：复旦大学出版社,2000.（上接第 58 页）波纹钢腹板-ECC 组合梁负弯矩区在不同 ECC 强度、BFRP 筋配筋率及工字钢腹板强度等因素下的力学性能规律，得到以下结论：（1）采用有限元软件对 FRP 筋增强波纹钢腹板-ECC 组合梁负弯矩区进行模拟分析，将有限元模拟分析得到的荷载跨中挠度曲线及破坏形态与试验进行对比，有限元模拟结果与试验吻合良好，验证了建模方法的合理性。（2）ECC 抗拉强度及波纹钢腹板强度增大，FRP筋增强波纹钢腹板-ECC 组合梁负弯矩区的承载力略有增大，设计时不建议通过增大 ECC 抗拉强度及波纹钢腹板强度来提高钢-ECC 组合梁负弯矩区的承载力。（3）BFRP 筋配筋率的提高，FRP 筋增强波纹钢腹板-ECC 组合梁负弯矩区的基本不变，设计时建议按构造配筋取值。参考文献1Sause R,Braxtan T N.Shear strength of trapezoidal corrugated steel websJ.Journal of Constructional Steel Research,2011(2):223-236.2Dubina D,Ungureanu V,GLia L.Experimental investigations of cold-formed steel beams of corrugated web and built-up section for flangesJ.Thin-Walled Structures,2015,90:159-170.3 樊健生,聂建国,张彦玲.钢 混凝土组合梁抗裂性能的试验研究 J.土木工程学报,2011(2):1-7.4 段世昌,徐千军.FRP 与混凝土组合结构研究综述 J.水力发电学报,2005(5):5559.5Wu F,Fan Z,He L,et al.Behaviour of steel-BFRP bars reinforced ECC composite girders with corrugated webs under negative momentC/Structures.Elsevier,2023,50:636-650.6Li V C.On engineered cementitious composites(ECC)A Review of the Material and its ApplicationsJ.Journal of Advanced Concrete Technology,2003(3):215-230.7ABAQUS Inc.Abaqus Analysis User s ManualM.2010.