混雜纖維自密實混凝土梁受彎性能有限元分析★

杜麗君 張鑫月 蘇仙山 方光秀*

(延邊大學工學院，吉林 延吉 133002)

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混雜纖維自密實混凝土梁受彎性能有限元分析★

杜麗君 張鑫月 蘇仙山 方光秀*

(延邊大學工學院，吉林 延吉 133002)

利用ANSYS有限元軟件，研究了玄武巖纖維和聚丙烯纖維不同摻量對自密實混凝土梁在屈服狀態下應力和跨中撓度的影響，并給出了相關回歸方程，得到了最佳纖維組合摻量，為混雜纖維自密實混凝土梁抗彎性能的試驗研究提供參考。

自密實混凝土，纖維，撓度，抗彎性能，回歸方程

0 引言

纖維混凝土有效改善了混凝土的各項性能，尤其是其韌性、抗沖擊性和抗裂抗滲性[1]。自密實混凝土避免了由振搗不足引起的混凝土澆筑質量缺陷狀況。但由于自密實混凝土漿料含量大，水膠比低，其早期裂縫問題較為嚴重[2，3]。

為克服這一缺點，可在自密實混凝土中加入適當纖維，既提高了混凝土的強度和韌性，又限制了混凝土的早期收縮[2]。但只加入一種纖維對混凝土力學性能的提高還具有一定的局限性，為了更全面地改善混凝土的各項性能，考慮在混凝土中加入多種纖維[4]。目前對于混雜纖維自密實混凝土的研究較少。就此，本文改變自密實混凝土中玄武巖纖維和聚丙烯纖維的不同摻量，并利用有限元分析不同纖維摻量組合對自密實鋼筋混凝土梁應力和屈服撓度的影響，為混雜纖維自密實混凝土梁抗彎性能的試驗研究提供理論參考。

1 試驗設計

共設置5根梁，梁長度均為1 500 mm、凈跨1 200 mm、截面尺寸為120 mm×180 mm。梁內縱向受拉鋼筋采用2根直徑為20 mm的HRB400熱軋鋼筋，箍筋及上部架立筋采用2根直徑為8 mm的HRB335熱軋鋼筋。梁試件構造如圖1所示。

本文對自密實混凝土梁設計玄武巖纖維摻量為0 kg/m3,1.325 kg/m3,2.65 kg/m3等3個變量，并設計聚丙烯纖維摻量為0 kg/m3,0.1 kg/m3,0.2 kg/m3等3個變量。試驗梁參數設計方案如表1所示。

表1 試驗梁參數設計方案

2 有限元模型建立

2.1 單元類型的選擇

采用分離式模型將混凝土和鋼筋作為不同的單元來處理。混凝土采用Solid65單元類型，鋼筋采用Link8單元模擬[5]。本文在梁的支撐處和加載處設置50 mm×120 mm的模擬剛性墊板以避免應力集中。試件的有限元網格劃分及鋼筋單元如圖2所示。

2.2 本構關系選擇

1)混凝土本構關系。

a.混凝土采用過鎮海教授提出的分段表達式[6]：

(1)

其中，x=ε/ε0;y=σ/σ0(σ0為混凝土應力—應變曲線的峰值應力；ε0為峰值應力時的應變)；參數α取值范圍為1.5～3.0；β處于大于0.4的范圍。

b.研究表明，纖維混凝土本構曲線與普通混凝土的軸心受壓應力—應變曲線在形狀上沒有太大的差別[7，8]。因此，上述本構關系同樣適用于纖維混凝土。

2)鋼筋的本構關系。

混雜纖維自密實混凝土梁鋼筋采用理想彈塑性模型，其本構關系按GB 50010—2010混凝土結構設計規范確定，即：

(2)

其中，ES為鋼筋彈性模量;εy為鋼筋屈服應變;fy為鋼筋屈服應力。

3 有限元模擬結果與分析

3.1 等效屈服應力云圖

混雜纖維自密實混凝土梁和鋼筋等效屈服應力云圖如圖3,圖4所示。

由圖3，圖4可看出，屈服時梁內最大壓應力均在跨中上部受壓區，鋼筋最大拉應力均在下部受拉區。

只摻入玄武巖纖維會使梁可承擔的屈服荷載減小，在此基礎上固定其中一種纖維的摻量，梁的最大應力隨著另一種纖維摻量的增加而逐漸增加，到達適當纖維摻量組合時，其最大應力減小，但仍比不摻纖維時的自密實混凝土大。

3.2 不同纖維摻量組合對梁跨中撓度的影響

如圖5所示，固定玄武巖纖維摻量為1.325 kg/m3時，混加兩種纖維梁的屈服撓度均比單摻玄武巖纖維梁的屈服撓度小。說明合理的纖維摻量會大幅增強混凝土的韌性，提高梁的抗彎性能。

將圖5的曲線變化規律用y=ax2+bx+c擬合，聚丙烯纖維摻量與梁屈服時的跨中撓度回歸方程為y=19.15x2-5.555x+4.428，擬合度R2=1。其中,y為跨中屈服撓度；x為玄武巖纖維摻量,為1.325 kg/m3，聚丙烯纖維摻量分別為0 kg/m3，0.1 kg/m3，0.2 kg/m3；a，b，c均為回歸系數。

4 結論

本文通過ANSYS有限元分析，研究了5種不同纖維摻量組合對自密實混凝土梁在屈服狀態下應力和撓度的影響。研究結果表明：

1)合理的纖維摻量組合可提高梁內最大壓應力，增強其承擔屈服荷載的能力。本文最佳纖維摻量組合為玄武巖纖維摻量1.325 kg/m3，聚丙烯纖維摻量0.1 kg/m3。

2)摻入適量纖維能有效提高自密實混凝土梁的抗彎性能，且混雜纖維自密實混凝土梁的屈服撓度比單摻玄武巖纖維自密實混凝土梁的屈服撓度分別減小8.2%,7.8%,8.0%。

3)固定玄武巖纖維摻量為1.325 kg/m3時，聚丙烯纖維摻量與屈服時跨中撓度的回歸方程為y=19.15x2-5.555x+4.428。

[1] 王志釗.聚丙烯纖維混凝土綜合性能試驗研究[D].杭州：浙江大學，2004.

[2] 駱冰冰.混雜纖維自密實混凝土的性能研究[D].大連:大連交通大學，2012.

[3] 何小兵，卓 儀.聚丙烯纖維自密實混凝土工作性及強度性能研究[J].重慶交通大學學報(自然科學版)，2012(12):1137-1140.

[4] 崔 昭.鋼—PVA混雜纖維混凝土動態本構模型及其有限元分析[D].南京：華南理工大學，2016.

[5] 張海龍.鋼纖維高強再生混凝土梁抗彎性能試驗研究[D].延吉：延邊大學，2016.

[6] 過鎮海，時旭東.鋼筋混凝土原理與分析[M].北京:清華大學出版社，2003.

[7] 張元元.鋼—聚丙烯混雜纖維混凝土單軸受壓本構關系與受拉性能研究[D].武漢：武漢大學，2010.

[8] 陳 萌.玄武巖纖維橡膠再生混凝土—BFRRBC—基本性能及應力—應變關系[D].鄭州：華北水利水電大學，2015.

Finite element analysis of hybrid fiber reinforced self-compacting concrete beam flexural properties★

Du Lijun Zhang Xinyue Su Xianshan Fang Guangxiu*

(CollegeofEngineering,YanbianUniversity,Yanji133002,China)

Using the ANSYS finite element analysis, the author researched the effects of the different dosage of basalt fiber and polypropylene fiber on the stress mid-span moment of the self-compacting concrete beam which was in the yield state in this experiment. The regression equation would be given in this paper and the best combination of fiber content, which can provide references for the relevant experimental study on flexural behavior of hybrid fiber reinforced self-compacting concrete beam.

self-compacting, fiber, deflection, flexural properties, regression quation

1009-6825(2017)14-0104-03

2017-03-08★:延邊大學科技發展計劃校企合作項目(項目編號：602015001)

杜麗君(1997- )，女，在讀本科生； 張鑫月(1995- )，女，在讀本科生； 蘇仙山(1992- )，男，在讀本科生

方光秀(1967- )，男，博士，教授

TU528.572

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