GFRP筋混凝土的壓縮實驗及有限元簡析

龔洪亮 翁銳

【摘要】纖維增強復合塑料（簡稱FRP）是由連續纖維材料和粘結膠體組成的一種高性能復合材料。在土木工程領域，主要采用FRP材料代替鋼筋以解決鋼筋的腐蝕問題。FRP筋和混凝土構成一種組合結構材料的基本條件是二者之間具有可靠的粘結和錨固性能。只有保證了力的有效傳遞，才能達到FRP筋和混凝土整體協同工作的目的。

【關鍵詞】GFRP筋混凝土；壓縮實驗；有限元

因其力學性能與鋼筋差別較大，使其投入使用需要更加了解這種材料，采用分組對照的形式，通過改變配筋方式，尋找FRP筋更加合適的使用方案。

一、GFRP筋混凝土的壓縮實驗

（一）實驗方案

本次試驗使用的混凝土設計強度等級為C30，普通硅酸鹽水泥的規格為325，粗骨料的粒徑在0.75～20mm（連續的級配），中砂的細度模數是2.3。抗壓實驗在微機控制液壓式萬能試驗機上進行，并使用標準混凝土試塊（150mm×150mm×150mm），加載速率控制在0.04mm/s左右。試驗時，逐漸加大軸向力直到試樣被破壞，停止實驗，得到混凝土試件的應力-應變曲線，并記下混凝土試件的極限抗壓強度值。在分析試驗結果時，必須確保三組試驗數據的最大值、最小值與中間值之間的差值不大于中間值的15%，若不滿足則應重新測試。

（二）試件制作

一是混凝土配合比設計。混凝土中各材料的用量為：水泥，水，砂，碎石。制作混凝土試樣時，按配合比計算出所需的每一種材料的用量，然后在電子稱上精確稱量。實驗開始時，先用清水和毛刷將攪拌機清洗干凈，再將在電子稱上稱量好的材料依次放入攪拌機中，攪拌約30s后加入原先稱量好的水，均勻攪拌60s后出料，將拌合物均勻攤鋪在鋼板上，進行塌落度試驗測試。將拌和好的拌合物填充至規定的模具中，其中模具規格為：150mm×150mm×150mm，然后將模具放在振搗臺上進行連續振動，直至拌合物壓實后停止振動，最后將其表面抹平，放置2d后拆模，再將其放入標準養護室養護約一個月，最后再置于常溫下養護。二是GFRP筋混凝土制作。在素混凝土的中間位置鋪設GFRP筋，GFRP筋的直徑為8mm，長度為100mm，均布布置的GFRP筋用量分別為4根、8根、12根，每組需至少3個混凝土試塊。

二、混凝土壓縮試驗有限元分析

（一）素混凝土立方體壓縮試驗模型建立

本文采用單元類型進行模擬，其單元尺寸為1∶1，并且將立方體模型劃分為若干個立方體小單元，其中小單元的尺寸為1cm，立方體底面是三個方向上的全約束，并且與壓頭接觸的頂面周圍四面完全不受約束。素混凝土立方體模型的單軸壓縮應力可從之前所做的素混凝土的壓縮實驗中直接獲得。

（二）GFRP筋混凝土立方體壓縮試驗模型的建立

GFRP立方體模型是采用三層材料建立的。上、下兩層材料選用混凝土，中間層材料則選用GFRP筋。

（三）實驗結果和數值模擬結果的分析

當混凝土立方體試件在壓力作用下時，應力和應變都逐漸增加；當混凝土試件受壓破壞時，其壓應力達到最大值，此后，應力應變呈現下降關系；然而，素混凝土應力應變下降速度快于GFRP筋混凝土的下降速度，表明素混凝土從開始到發生破壞的時間間隔較短；當兩種混凝土在發生破壞時，GFRP筋混凝土的應力值明顯大于素混凝土，表明GFRP筋混凝土比素混凝土具有更好的力學性能。素混凝土發生破壞的時間點早于GFRP筋的破壞，并且破壞時的應力值大于素混凝土的應力值。表明GFRP筋混凝土的抗壓承載能力要明顯大于素混凝土。應力—應變關系呈彈性，其彈性模量較低，因此GFRP筋構件發生脆性變化，裂縫寬度較大，裂縫間距也較大，接近極限承載力時主要裂縫根部出現一些分叉裂縫。裂縫首先在純彎段出現，開裂的數量較多且相對均勻，荷載不斷加大，開始出現斜向裂縫，沿長度方向進行分布，彎剪區裂縫不斷增大擴展，并且向壓力點傾斜，最終變寬貫通，板的破壞主要是由于所出現的斜向裂縫造成的混凝土立方體加-卸載循環分。當GFRP筋混凝土中纖維筋用量為12根時，在一次循環加載后，素混凝土基本失去了力學性能，而GFRP筋混凝土還能保持良好的力學性能。在穩定加載一段時間后，素混凝已經完全失去了力學性能，不能繼續工作。然而，GFRP筋混凝土還可以繼續承受連續荷載的影響，并進一步證明了GFRP筋混凝土具有良好的延性性能。通過ANSYS對混凝土立方體循環加-卸載的模擬，可以看出GFRP筋的抗疲勞性能強于素混凝土。）通過對GFRP筋混凝土和素混凝土的標準立方體抗壓強度試驗結果表明，GFRP筋混凝土的力學性能明顯優于素混凝土，因此，我們可以再繼續加深對GFRP筋性能方面的研究，充分發掘它的潛能而更好地應用在工程實踐中。

通過ANSYS模擬的不同GFRP筋用量對混凝土應力-應變的影響，說明GFRP筋用量的增多能延長混凝土的使用壽命，因此可在實際工程中廣泛使用GFRP筋。通過ANSYS有限元模擬混凝土立方體加-卸載循環過程，表明加GFRP筋后的混凝土的抗疲勞性優于素混凝土，因此可以在路面層中合理鋪設GFRP筋來提高水泥路面的抗疲勞性。

參考文獻

[1]騰錦光，陳建飛.FRP加固混凝土結構[M].北京：中國建筑工業出版社，2016：1～63.

[2]過鎮海，時旭東.鋼筋混凝土原理和分析[M].北京：清華大學出版社，2015：143～157.