數值模擬柔性纖維鋼筋混凝土箱梁破壞過程分析

劉強

（河北省交通運輸運行監測與信息服務中心，河北 石家莊 050031）

0 引言

在柔性纖維鋼筋混凝土箱梁破壞過程中，荷載大小和纖維摻入量都會影響箱梁整體結構的穩定，針對此類問題，許多專家學者對此開展了研究。張延年[1]等人為研究聚丙烯纖維對混凝土強度和拉壓比的影響，通過標準的試驗方法對不同纖維長度和纖維摻量的混凝土立方體進行劈裂抗拉強度和抗壓強度試驗，實驗結果表明，在纖維摻量為0%～0.1%區間時，聚丙烯纖維混凝土立方體抗壓比隨之變大，而在纖維摻量為0.1%～0.25%區間時，聚丙烯纖維混凝土立方體抗壓比隨之變小；12mm聚丙烯纖維混凝土拉壓比大于6mm聚丙烯纖維混凝土拉壓比，同時比基準混凝土提高了5.5%，說明聚丙烯纖維可以明顯提高混凝土的韌性，改善混凝土脆性破壞形態。潘超[2]等人為分析聚丙烯纖維對混凝土的影響，建立本構模型并分析其力學性能，研究指出，在混凝土中摻入一定比例的聚丙烯纖維可有效抑制混凝土開裂，不僅能改善混凝土的變形性能，還可提高混凝土延性，當聚丙烯纖維摻量為0.9%、水灰比為0.65時，低彈模混凝土的抗裂、防滲性能達到最優。張悅[3]以聚丙烯纖維混凝土為研究對象，分析了不同摻量下不同養護齡期聚丙烯纖維混凝土的整體穩定性能，研究發現，水利工程中纖維摻量通常為0.9kg/m3，添加聚丙烯纖維可以增強混凝土的抗壓起裂縫、壓縮韌性、破壞能、混凝土抗壓強度、軸壓強度、抗折強度和劈拉強度，有利于增強拌和物的保水性和黏聚性，并改善提升混凝土的脆性及其延展性。

為此，本文在既有研究成果的基礎上[4-8]，研究柔性纖維鋼筋混凝土箱梁破壞過程，通過對柔性纖維鋼筋混凝土箱梁破壞過程開展理論分析，并基于Midas/FEA有限元軟件模擬柔性纖維鋼筋混凝土箱梁破壞過程數值，分別分析底板跨中縱向應變和撓度，以及不同纖維摻量對箱梁承載能力的影響，以期為行業發展提供參考和借鑒。

1 模型假設

為了更方便地分析柔性纖維混凝土箱梁的力學性能，模型按照縮尺箱梁1:1的比例建立，長度2.5m，高0.3m，板底0.38m，高0.75m，端部到離端部1.5m處均為實心，離端部1.5m至4.5m處為漸變段，翼板邊緣厚度為0.3m。運用幾何相似常數，在縱向上，縮尺箱梁橫截面依據同一原型結構半跨中斷面簡化后的1/10尺寸設計，要求箱梁各板厚度小于等于3cm，整個截面中最薄處為2cm，由于簡化后的截面沒有對應實施倒圓角處理，易導致應力過度集中，造成縮尺箱梁易在承受荷載時被破壞，所以需要在最終半跨中斷面簡化后1/10尺寸的基礎上再乘以1.5的安全系數，以防止承載后支座反力破壞箱梁結構。關于材料的選擇：混凝土材料采用容重為25kN/m2、泊松比為0.25的C55混凝土材料；縱向鋼筋為HRB400型號鋼筋，公稱直徑為6mm，容重為79kN/m2，泊松比為0.3，公稱面積為28.30mm2，抗拉強度標準為400MPa。

借助Midas/FEA軟件建模的同時采用映射網格方法，先畫出箱梁各控制截面的半對稱橫截面尺寸，再移動到對應的控制截面所在位置；通過二維線放樣、拓展等操作，直到得出模型實體，其中二分之一實體只有輪廓圖；在使用網格線劃分前先打斷一些線條，再用3D直線把截面劃分成塊，接著布點，最后利用映射網格K線面將各截面劃分成二維網格；在二維網格的基礎上，通過延伸和填充等操作即可生成三維實體網格，然后鏡像形成整個箱梁模型的3D網格圖；為了方便繪畫鋼筋結構，可先隱藏網格，再利用直線工具扣除兩端鋼筋3cm的混凝土保護層，畫出一條長度為2.5米的縱向鋼筋，在頂板設置14根鋼筋，地板設置17根鋼筋，兩側腹板各設置12根鋼筋，共計55根。

2 數值模擬

計算模型和縮尺鋼筋混凝土箱梁應保持一致。試驗中，聚丙烯纖維摻量分別為0%、0.1%和0.3%，通過軟件模擬計算可以得出箱梁承載力、撓度、應變等數據。

2.1 不同纖維摻量對箱梁承載能力的影響

設計的標準最大荷載為238kN，為了更加方便地收集數據并測試箱梁承載力，試驗加載的最大荷載為400kN，經過軟件模擬得到不同纖維摻量箱梁及無纖維摻量時的荷載因子和承載能力，結果如表1和圖1所示。

圖1 箱梁承載力隨不同聚丙烯纖維摻量的變化圖

表1 不同纖維摻量箱梁的承載能力

從表1和圖1分析可得，摻入聚丙烯纖維的鋼筋混凝土箱梁的最大承載力比未摻入聚丙烯纖維強，且隨著纖維摻量的增加，箱梁承載能力也呈逐步變大的趨勢，進而可以說明，摻入聚丙烯纖維能夠大幅提升鋼筋混凝土箱梁的承載能力。

2.2 分析底板跨中縱向應變

在最大設計荷載238kN加荷的基礎上，荷載因子按照0.1個單位遞增，按照多個加荷步驟來增加荷載，分別比較0%、0.1%和0.3%摻量聚丙烯纖維鋼筋混凝土箱梁在不同步驟下的地板跨中縱向應變值變化情況，結果如表2和圖2所示。

圖2 不同纖維摻量箱梁底板跨中縱向應變隨荷載因子的變化圖

表2 不同纖維摻量箱梁底板中位置在各荷載下的縱向應變值（單位：με）

分析表2和圖2可知，聚丙烯纖維混凝土箱梁底板跨中縱向應變會隨荷載增加而增大，沒有摻加纖維的混凝土應變比摻入纖維的混凝土變化速度大且迅速，但隨著纖維量的提高，變化會趨慢；隨著荷載增加，不同摻量的聚丙烯纖維箱梁底板跨中位置的縱向應變也會隨之增加，且增速越來越快。進而可以得出，在相同荷載作用下，摻入聚丙烯纖維可提高箱梁的縱向剛度，并減少跨中縱向伸長量。

2.3 分析地板跨中橫向應變

在最大設計荷載238kN加荷的基礎上，荷載因子以0.1個單位遞增，并按照多個加荷步驟增加荷載，分別比較聚丙烯纖維摻量為0%、0.1%和0.3%時，鋼筋混凝土箱梁地板跨中橫向應變值變化情況，結果如表3和圖3所示。

圖3 不同纖維摻量箱梁底板跨中橫向應變隨荷載因子的變化

表3 不同纖維摻量箱梁底板中位置在各荷載下的橫向應變值（單位：με）

分析表3和圖3可知，纖維混凝土箱梁底板跨中橫向應變會隨著荷載增加而增大，未摻加纖維的混凝土應變比摻入纖維的混凝土變化速度大且迅速，但隨著纖維含量的提高，應變變化會趨緩；隨著荷載增加，不同摻量的聚丙烯纖維箱梁底板跨中位置的橫向應變也會隨之增加，且增速越來越快。進而可以得出，在相同荷載作用下，摻入聚丙烯纖維可提高箱梁的橫向剛度，并減少跨中縱向伸長量。

2.4 分析底板跨中撓度

在最大設計荷載238kN加荷的基礎上，荷載因子以0.1個單位遞增，并按照多個加荷步驟增加荷載，分別比較聚丙烯纖維摻量為0%、0.1%和0.3%時，鋼筋混凝土箱梁底板跨中位置處，不同荷載作用下對應的撓度值，結果如表4和圖4所示。

圖4 不同纖維摻量箱梁跨中撓度隨荷載的變化圖

表4 各纖維摻量縮尺箱梁在各加載荷載下的底板中部撓度值（單位：mm）

分析表4和圖4可知，隨著荷載增加，纖維混凝土箱梁底板跨中豎向撓度也隨之增大，0.0%纖維含量混凝土的變化趨勢大于0.1%纖維含量的混凝土和0.3%纖維含量的混凝土，同時，隨著纖維摻量的增加，撓度變化則逐漸趨緩；隨著荷載增加，不同摻量的聚丙烯纖維箱梁底板跨中位置的豎向撓度都呈現出上升變化，且速度越來越快。進而可以得出，纖維摻量很大程度上可以減少箱梁的撓度變形。

3 結束語

本文運用理論知識結合有限元軟件建立相對應的有限元模型來模擬分析柔性纖維鋼筋混凝土箱梁破壞過程。研究結果表明，摻入聚丙烯纖維的鋼筋混凝土箱梁比未摻入聚丙烯纖維的最大承載力更強；摻入聚丙烯纖維能夠大幅提升鋼筋混凝土箱梁的承載能力；纖維混凝土箱梁底板跨中縱向與橫向應變會隨著荷載的增加而增大，應變變化會隨纖維含量的提高而趨慢。在同樣荷載作用下，摻入聚丙烯纖維可提高箱梁縱向與橫向剛度，同時可減少跨中縱向與橫向的伸長量。隨著荷載增加，不同摻量的聚丙烯纖維箱梁底板跨中位置的縱向與橫向應變也隨之增加，且增速越來越快；隨荷載增加，纖維混凝土箱梁底板跨中豎向撓度也隨之增大，且隨著纖維摻量增加，撓度變化逐漸趨緩；隨荷載增加，不同摻量的聚丙烯纖維箱梁底板跨中位置的豎向撓度都呈上升變化，且速度越來越快，由此可知，摻入纖維可以很大程度上減少箱梁的撓度變形。