FRP 筋增強鋼-ECC 組合梁負彎矩區力學性能研究

左海平,張 釗,梁慶慶,賴世錦,甘珠成

（柳州鐵道職業技術學院,廣西 柳州 545616）

0 引言

由于波紋鋼腹板組合梁具有抗剪能力強等特點[1-2]，近年來在鋼—混凝土組合梁中得到了廣泛的應用。但在組合梁橋的負彎矩區，混凝土橋面板容易受拉而開裂，從而降低結構的承載力和耐久性[3]。因此，研究波紋鋼腹板組合梁在負彎矩作用下的力學性能是非常必要的。

纖維增強聚合物復合材料（Fiber Reinforced Polymer，FRP）具有輕質高強、施工便捷、耐腐蝕性和耐久性好等優點[4]。將FRP 筋代替普通鋼筋可以避免普通鋼—混凝土組合梁中鋼筋銹蝕而引起結構承載力下降等問題。

纖維增強水泥基復合材料（Engineered Cementitious Composite，簡稱ECC）是一種具有非常好的韌性、抗裂性的新型建筑材料[5]，FRP 筋與ECC 復合使用，可以代替組合梁負彎矩區的鋼筋混凝土，從根本上解決負彎矩區組合梁容易開裂的問題。

截至目前，關于FRP 筋與ECC 復合使用在波紋鋼腹板組合梁負彎矩區的研究非常有限，相關參數研究也不夠全面。因此，有必要對FRP 筋增強波紋鋼腹板-ECC組合梁負彎矩區進行參數化研究。

該文通過有限元分析了FRP 筋增強波紋鋼腹板-ECC 組合梁負彎矩區的力學性能，探討了ECC 強度、BFRP 筋配筋率和波紋鋼腹板強度等因素對FRP 筋增強波紋鋼腹板-ECC 組合梁負彎矩區力學性能的影響，為FRP 筋增強波紋鋼腹板-ECC 組合梁在工程中的應用提供參考。

1 試驗概況

1.1 試件設計

該文對武芳文等[5]開展的FRP 筋增強波紋鋼腹板-ECC 組合梁（工況SEB）負彎矩區進行了三點彎曲試驗的有限元分析。該次有限元模擬的試件的相關尺寸等信息如圖1、圖2 所示。

圖1 試件設計（mm）

圖2 加載方式示意圖（mm）

試件尺寸長度為3 200 mm，ECC 翼緣板的板寬度和厚度分別為600 mm 和80 mm。鋼梁采用Q355 級的工字鋼，ECC 翼緣板配置了BFRP 縱向筋和橫向筋，直徑分別為14 mm 和10 mm，縱向筋間距100 mm，橫向筋間距90 mm。組合梁布置有抗剪栓釘，并排放置成兩排，橫向和縱向間距分別為80 mm 和100 mm，直徑和長度分別為10 mm 和40 mm。組合梁采用加載梁通過彈簧支座進行三點彎曲加載，加載方式示意圖如圖2 所示。

1.2 材料性能

試驗前測得ECC 立方體抗拉強度為4.63 MPa，抗壓強度為50.3 MPa，彈性模量為19.6 GPa。Q355 鋼、栓釘及BFRP 筋的材料力學性能參數如表1 所示。

表1 材料力學參數

2 有限元模型的建立

該文采用Abaqus 有限元軟件建立了FRP 筋增強波紋鋼腹板-ECC 組合梁的有限元模型，模型如圖3 所示。

圖3 Abaqus 有限元模型

根據試驗的加載方案，該次模擬進行了簡化。模型采用位移加載，支座處采用簡支梁約束方式。

ECC 翼緣板、工字型鋼梁和抗剪栓釘均使用C3D20R二次減縮積分單元進行建模，BFRP 筋采用T3D2 桁架單元。BFRP 筋嵌入在ECC 翼緣板內部，抗剪栓釘與鋼梁之間使用綁定約束。模型使用25 mm 作為基本尺寸進行了網格劃分，波紋腹板的基本網格尺寸為10 mm。

參考ECC 本構方程[6]，該文采用塑性損傷模型[7]來模擬ECC 在三點彎曲荷載下的力學行為。

由于試驗中BFRP 筋沒有斷裂，該文中BFRP 筋的本構模型采用線彈性本構，鋼材采用雙折線彈塑性本構模型，應力—應變曲線如圖4 所示。

圖4 應力應變曲線

3 有限元模型驗證

如圖5 所示為FRP 筋增強波紋鋼腹板-ECC 組合梁的荷載—跨中撓度曲線的試驗與有限元分析結果對比。由圖5 可以看出，有限元模擬的荷載—跨中撓度曲線和試驗曲線基本吻合。試驗最大跨中撓度32 mm，對應的極限荷載為306 kN，對應有限元分析得到荷載為282 kN，試驗結果比有限元分析結果高出7.8%，誤差滿足要求。如圖6 所示為試驗破壞形態與有限元分析破壞形態的對比，由圖6 明顯看出兩者破壞形態較為吻合。有限元分析結果和試驗結果荷載—跨中撓度及破壞形態的對比驗證了該文建立的有限元模型的合理性。

圖5 有限元分析與試驗荷載撓度曲線對比

圖6 有限元分析與試驗破壞對比

4 FRP 筋增強波紋鋼腹板-ECC 組合梁負彎矩區力學性能影響因素分析

影響FRP 筋增強波紋鋼腹板-ECC 組合梁負彎矩區力學性能的因素包括ECC 強度、BFRP 筋配筋率以及波紋鋼腹板強度等因素。基于前述結論，該節將采用有限元模型對FRP 筋增強波紋鋼腹板-ECC 組合梁在不同ECC 強度、BFRP 筋配筋率和工字鋼腹板強度等因素下的力學性能規律進行進一步分析。

4.1 不同ECC 強度下FRP 筋增強波紋鋼腹板-ECC 組合梁負彎矩區力學性能

以文獻[5]的FRP 筋增強波紋鋼腹板-ECC 組合梁為基準，保持原有參數不變，僅改變ECC 抗拉強度的大小來研究ECC 強度對該組合梁負彎矩區力學性能的影響。該文選擇了四組ECC 抗拉強度進行對比分析，分別為3.63 MPa、4.63 MPa、5.63 MPa 和6.63 MPa。

當ECC 抗拉強度分別為3.63 MPa、4.63 MPa、5.63 MPa和6.63 MPa 時，組合梁負彎矩區的荷載—跨中撓度曲線如圖7 所示。從圖7 可以觀察到，隨著ECC 抗拉強度的增大，FRP 筋增強波紋鋼腹板-ECC 組合梁負彎矩區的承載力略微增加，但增幅不明顯。因此，在工程設計中，不建議通過增大ECC 抗拉強度來提高FRP 筋增強波紋鋼腹板-ECC 組合梁負彎矩區的承載力。

圖7 ECC 抗拉強度影響下的荷載—撓度曲線

4.2 不同BFRP 配筋率下FRP 筋增強波紋鋼腹板-ECC組合梁負彎矩區力學性能

以文獻[5]中的FRP 筋增強波紋鋼腹板-ECC 組合梁為基準，保持原有參數不變，僅改變BFRP 縱筋的配筋率來研究BFRP 縱筋配筋率對該組合梁負彎矩區力學性能的影響。該文選擇了四組配筋率進行對比分析，分別為1.3%、2.3%、3.3%和4.3%。

當BFRP縱筋配筋率分別為1.3%、2.3%、3.3%和4.3%時，組合梁負彎矩區的荷載-跨中撓度曲線如圖8 所示。根據圖8 可見，隨著BFRP 縱筋配筋率的增加，FRP 筋增強波紋鋼腹板-ECC 組合梁負彎矩區的承載力基本不發生變化。這是因為BFRP 縱筋具有很高的強度，在工字型鋼梁發生破壞時，BFRP 縱筋仍處于彈性階段，并未發生斷裂破壞。因此，在工程設計中，建議不將BFRP 縱筋配筋率設置得過大，能夠滿足構造配筋率要求即可。

圖8 BFRP 配筋率影響下的荷載-撓度曲線

4.3 不同腹板強度FRP 筋增強波紋鋼腹板-ECC 組合梁負彎矩區力學性能

以文獻[5]中的FRP 筋增強波紋鋼腹板-ECC 組合梁為基準，保持原有參數不變，僅改變波紋鋼腹板的強度來研究波紋腹板強度對該組合梁負彎矩區力學性能的影響。該文選擇了四組波紋腹板強度進行對比分析，分別為275 MPa、375 MPa、475 MPa 和575 MPa。

當波紋鋼腹板強度分別為275 MPa、375 MPa、475 MPa和575 MPa 時，組合梁負彎矩區的荷載—跨中撓度曲線如圖9 所示。從圖9 可以觀察到，隨著波紋鋼腹板強度的增大，FRP 筋增強波紋鋼腹板-ECC 組合梁負彎矩區的承載力略微增加，但增幅不明顯。因此，在工程設計中，不建議通過增大波紋鋼腹板的強度來提高FRP 筋增強波紋鋼腹板-ECC 組合梁負彎矩區的承載力。

5 結語

該文基于Abaqus 對FRP 筋增強波紋鋼腹板-ECC 組合梁負彎矩區進行數值模擬，并進一步分析FRP 筋增強波紋鋼腹板-ECC 組合梁負彎矩區在不同ECC 強度、BFRP 筋配筋率及工字鋼腹板強度等因素下的力學性能規律，得到以下結論：

（1）采用有限元軟件對FRP 筋增強波紋鋼腹板-ECC 組合梁負彎矩區進行模擬分析，將有限元模擬分析得到的荷載—跨中撓度曲線及破壞形態與試驗進行對比，有限元模擬結果與試驗吻合良好，驗證了建模方法的合理性。

（2）ECC 抗拉強度及波紋鋼腹板強度增大，FRP筋增強波紋鋼腹板-ECC 組合梁負彎矩區的承載力略有增大，設計時不建議通過增大ECC 抗拉強度及波紋鋼腹板強度來提高鋼-ECC 組合梁負彎矩區的承載力。

（3）BFRP 筋配筋率的提高，FRP 筋增強波紋鋼腹板-ECC 組合梁負彎矩區的基本不變，設計時建議按構造配筋取值。