不同纖維長徑比對鋼纖維混凝土梁抗彎性能的影響分析

李 妍 應到亨 孫楠楠

1吉林建筑大學土木工程學院（130118）2寒地綠色建筑技術吉林省工程研究中心（130000）3長春凈月規(guī)劃建筑設計研究院有限公司（130000）

0 引言

目前，我國是汽車擁有量大國，每年廢棄的廢舊輪胎多達十幾億條[1-2]，由于廢舊輪胎的數目驚人，銷毀和存儲成為了一個難題，為了更好的解決環(huán)保問題，將廢舊輪胎中的鋼纖維提取出來進行實際工程研究。因為輪胎中含有大量的鋼纖維，通過回收胎圈內鋼纖維，將其進行處理，加入到混凝土中，增強混凝土的抗拉、抗折和彎曲性能[3-4]。目前，國內外學者對不同工業(yè)回收鋼纖維長徑比對鋼纖維混凝土梁抗彎性能的研究較少。文章采用數值模擬的方式，分析了不同纖維長徑比對鋼纖維混凝土梁抗彎性能的影響[5]。進而不僅能將廢舊輪胎中的資源用到實際工程，而且保護了環(huán)境。

1 SFRC抗彎強度的理論研究

結合基本原理，可以將鋼纖維混凝土視為鋼纖維和混凝土的組合構件，在構件發(fā)生線彈性變化后混凝土發(fā)生開裂，得到亂向分布的鋼纖維混凝土的平均應力σ與彈性模量E:

式中:σf——鋼纖維應力（MPa）；Ef——鋼纖維的彈性模量（MPa）；Vf——鋼纖維的體積率；σm——混凝土的應力（MPa）；Em——混凝土的應力彈性模量（MPa）；Vm——混凝土的體積率；η——為隨機纖維的有效系數。

當復合材料結構的形變達到混凝土構件的開裂應變時，鋼纖維混凝土的應力達到極限抗彎強度fmt，即發(fā)生開裂，此時鋼纖維受到的應力為σf=Ef·εm，由此得到鋼纖維混凝土構件的開裂承載力:

式中:fft——鋼纖維混凝土抗彎強度（N/mm2）；εm——混凝土開裂應變；fmt——基體混凝土極限抗彎強度（N/mm2）。

由于裂痕處鋼纖維開始發(fā)揮作用，在開裂以后基體不會直接毀壞，隨著裂痕的不斷擴展，應力不斷增加，直到裂縫的寬度達到一定程度時，基體中發(fā)生拉斷破壞時的有效臨界長度＞隨機分布的鋼纖維的有效長度，于是鋼纖維開始滑動，最后被拔出而發(fā)生破壞[6-7]，假設鋼纖維與混凝土之間的平均黏結應力為τ，則此時鋼纖維所受的應力為:

根據復合材料的力學原理，兩種類型的組合可用于計算鋼纖維混凝土的抗彎強度公式:

式中:fm——基體混凝土的強度；Vf——鋼纖維的體積率；lf/df——鋼纖維的長徑比；τ——鋼纖維與基體間的黏結應力；η——鋼纖維在混凝土基體中的散布特征。

文章主要研究不同鋼纖維長徑比對鋼纖維混凝土梁抗彎強度的影響。因此，不同長徑比的鋼纖維混凝土梁均采用體積率為1%的平直形鋼纖維，依次得到不同長徑比的鋼纖維混凝土梁的極限承載力[8]，通過與素混凝土梁進行對比分析，得出相應結論。

2 回收鋼纖維混凝土梁抗彎性能數值模擬分析

2.1 工程概況

本次數值模擬采用橫截面為150 mm×350 mm，跨度為2 500 mm的素混凝土梁，采用C40混凝土，HRB400鋼筋，箍筋采用C6@150 mm，梁內受拉縱筋2C20 mm，鋼筋保護層厚度為25 mm，在梁的兩端施加固定端約束?；炷恋膹椥阅Ａ咳?.25×104MPa，泊松比取0.2，鋼筋彈性模量取MPa，泊松比取0.3。采用平直形鋼纖維，鋼纖維的彈性模量與泊松比與鋼筋取值相同。鋼纖維的抗拉強度為1 700 MPa，鋼纖維的體積摻量為1%。在Abaqus軟件中建立一個截面為150 mm×350 mm，長為2 500 mm的梁作為基體[9]

2.2 在集中荷載作用下的求解

在Abaqus軟件上進行模擬，得到素混凝土DAMAGET云圖以及位移-應力曲線，如圖1所示。

圖1 鋼筋混凝土梁DAMAGET云圖與位移-應力曲線

回收鋼纖維長徑比為20的鋼纖維混凝土梁DAMAGET云圖以及位移-應力曲線，如圖2所示。

圖2 回收鋼纖維長徑比為20的鋼纖維混凝土梁DAMAGET云圖以及位移-應力曲線

回收鋼纖維長徑比為30的鋼纖維混凝土梁DAMAGET云圖以及位移-應力曲線，如圖3所示。

圖3 回收鋼纖維長徑比為30的鋼纖維混凝土梁DAMAGET云圖以及位移-應力曲線

回收鋼纖維長徑比為40的鋼纖維混凝土梁DAMAGET云圖以及位移-應力曲線，如圖4所示。

圖4 回收鋼纖維長徑比為40的鋼纖維混凝土梁DAMAGET云圖以及位移-應力曲線

由圖中數據可得，同素混凝土梁相比，長徑比為20的鋼纖維混凝土梁極限承載力提升了11.8%；同長徑比為20的鋼纖維混凝土梁相比，長徑比為30的鋼纖維混凝土梁極限承載力提升了6.8%；同長徑比為30的鋼纖維混凝土梁相比，長徑比為40的鋼纖維混凝土梁極限承載力提升了6.3%。摻入鋼纖維的混凝土梁抗彎性能有著明顯的提升，不同長徑比對混凝土梁抗彎性能也有著不同的影響，隨著長徑比的增大，混凝土的抗彎性能也隨之提升，纖維長徑比為40的梁極限承載力最大。

相對于長徑比小的纖維，總體上長徑比大的纖維增強效果更好。加入直型鋼纖維的混凝土的增強效果明顯優(yōu)于素混凝土?；厥珍摾w維的摻入使得混凝土內部形成三維受力骨架，混凝土主要承擔了外部的荷載，而鋼纖維則更好的將所受的應力均勻的傳遞開來，由于鋼纖維與混凝土有很好的黏結作用，抑制了由于外力產生的細微裂縫，同時也更加合理的將應力傳遞均勻，同時能夠吸收一部分應力的集中。

3 結論

文章通過對不同長徑比的鋼纖維混凝土梁進行了有限元模擬分析,研究不同纖維長徑比對梁的抗彎性能的影響,通過對比分析得出了以下結論:

1）混凝土梁為兩端固定，頂部施加兩個集中力，當鋼纖維混凝土梁中回收鋼纖維長徑比為20時，鋼纖維混凝土梁的應力、位移變化較普通鋼筋混凝土梁有所增加。當鋼纖維混凝土梁中回收鋼纖維長徑比為30時，其應力、位移的變化較長徑比為20的鋼纖維混凝土梁有所增加。當鋼纖維混凝土梁中回收鋼纖維長徑比為40時，鋼纖維混凝土梁的應力、位移變化達到最佳狀態(tài)。

2）通過有限元模擬可得，加入鋼纖維的混凝土，其抗彎性能有明顯的提升，不同長徑比的鋼纖維對梁抗彎性能有著不同的影響。通過回收鋼纖維，不僅能加強梁的抗彎性能，還對廢舊輪胎進行回收再利用，充分解決了我國廢舊輪胎存儲、銷毀這一難題，為工業(yè)回收鋼纖維更好的應用于實際工程提供了理論基礎。