冻融循环作用后SFCB高性能混凝土梁受弯性能模拟分析

97冻融循环作用后SFCB高性能混凝土梁受弯性能模拟分析严卫华1,2袁葛文杰2

渊1.扬州大学工程设计研究院袁江苏扬州225127曰2.扬州大学建筑科学与工程学院袁江苏扬州225127)

[摘

要]

为研究筋材类型渊钢筋尧SFCB和FRP筋冤和截面材料类型渊混凝土尧ECC和RPC冤对冻融循环作用后混凝土梁的

受弯性能的影响袁利用有限元软件OpenSees对9组试件在冻融循环作用后的受弯性能进行了数值分析遥结果表明袁冻融循环作用后袁试件极限承载力均下降袁但高性能混凝土组试件承载力下降幅度远小于普通混凝土试件曰高强度FRP筋材和高性能的混凝土材料相结合袁可提高筋材的强度利用率袁提高试件的承载力尧延性和耐久性能遥

[关键词]FRP曰混凝土梁曰ECC曰RPC曰受弯性能曰OpenSees

[中图分类号]TU375.1[文献标志码]A[文章编号]1005-6270渊2020冤01-0097-03

SimulationStudyontheFlexuralBehaviorofReinforcedHighPerformanceConcreteBeamswithSteelFRPCompositeBarsafterFreeze-thawCycles(1.EngineeringDesignandResearchInstituteofYangzhouUniversity袁YangzhouJiangsu225127China曰2.CollegeofCivilScienceandEngineering,YangzhouUniversity,YangzhouJiangsu225127China)

YANWei-hua1袁2GEWen-jie2

Abstract院Inordertostudytheeffectofreinforcementstyle(Steelbars,SFCBandFRPbars)andcross-sectionFlexuralbehaviorofninegroupsreinforcedcomponentsweresimulatebasedonOpenSees.Theresultsshow

materials(Concrete,ECCandRPC)ontheflexuralbehaviorofconcretebeamssubjectedtofreeze-thawcycles.thatthebearingcapacitiesdecreasewiththeincreaseoffreeze-thawcycles.Thedecreaserateofhighperformanceconcretegroupswerefarlowerthanthatofnormalconcretegroup.WiththecombinationofhighstrengthFRPandhighperformanceconcrete,thecoefficientofutilizationofreinforcementwereimproved,meanwhilethebearingcapacity,ductilityanddurabilitywereallenhanced.Keywords院FRP曰concretebeam曰ECC曰RPC曰flexuralbehavior曰OpenSees

0引言

FRP冤具有耐腐蚀尧轻质高强尧抗疲劳等优良性能袁被认为是FRP材料为线弹性袁且弹性模量较低袁导致FRP混凝土结构裂缝宽度和变形较大袁且为脆性破坏遥近年来袁一些新型高性能水泥基材料袁如工程用水泥基复合材料ECC和活性粉末混凝土RPC等袁同时具有优异的力学性能和耐久性基金项目院国家自然科学基金面上项目(51678514)尧中国博士后基金面上项目(2018M642335)尧江苏省住建厅建设系统科技项目(2018ZD047)尧江苏省野六大人才高峰冶高层次人才(JZ-038,2016)尧扬州大学野高端人才支持计划冶(拔尖人才成长计划)遥

替代钢筋以解决混凝土结构钢筋锈蚀的有效途径之一遥但

新型纤维增强复合材料渊FiberReinforcedPolymer袁

能袁使混凝土结构具有良好耐久性能和延性遥

本文综合利用FRP材料优良的受拉性能尧耐久性能和高性能混凝土强度高尧耐久性能好的特点袁形成纤维复合材料高性能混凝土梁遥利用有限元软件OpenSees对经冻融循环作用后的试件受弯性能进行数值模拟分析袁并与钢筋混凝土梁和FRP筋混凝土梁进行对比袁研究配筋类型尧截面材料类型对试件承载能力尧挠度变形和耐久性能的影响遥1分析模型1.1尺寸参数及配筋[通讯作者]葛文杰袁男渊1986-冤袁扬州大学建筑科学与工程学院袁博士袁副教授遥[收稿日期]圆园19鄄09鄄02[作者简介]严卫华袁男(1969-)袁扬州大学工程设计研究院袁硕士袁讲师遥98试件尺寸参考郑文忠教授课题组所进行钢筋活性粉末[1]1800mm袁支座两边外伸长度调整为150袁即计算跨长为1500mm袁并采用等三分点加载袁弯剪段与纯弯段长度均为见表1袁每组试件5个袁分别经历0尧50尧100尧150尧200次冻

表1试件分组情况

组号SCSRSE

纵筋类型钢筋

纵筋数量2D202D202A202A202A202A202A202A202D20

截面材料混凝土ECCRPC

混凝土简支梁受弯试验袁截面尺寸b伊h伊l=150mm伊200mm伊

江苏建筑

渊2冤混凝土圆园20年第1期渊总第203期冤

500mm袁纵筋混凝土保护层厚度为20mm遥试件详细分组融循环作用遥

了材料受拉性能的混凝土本构Concrete06遥混凝土采用普规范[3]中的标准值袁冻融循环作用后的混凝土材料力学性能参考文献[3-6]遥ECC材料的峰值压应力为50MPa尧峰值压

ECC和活性粉末混凝土RPC袁均采用OpenSees软件中考虑

试件分别采用普通混凝土尧工程用水泥基复合材料

通C50强度等级混凝土袁其力学性能采用混凝土结构设计

应变为0.0036尧极限压应变为0.0054袁受拉开裂应变为

0.0003尧开裂应力为5.0MPa袁为简化计算袁令极限拉应力材料力学性能参考文献[7-8]遥RPC受压强度为100MPa尧峰

等于开裂应力袁极限拉应变为0.03袁冻融循环作用后的ECC值压应变为0.0035袁受拉开裂应变为0.00025尧开裂应力

CCCRFCFECE

混凝土ECCRPC

SFCB

RPC材料力学性能参考文献[9]遥2结果分析

为10MPa袁极限压应变为0.0055

[1]袁冻融循环作用后的

混凝土混凝土ECC1.2材料基本力学性能渊1冤纵向受力钢筋

FRFRP筋

模拟计算分析得到的各试件承载力特征值如表3所冻融循环试件的极限承载力与未冻融试件的极限承载力的比值袁滓f/滓u为试件达到极限承载力时纵筋的应力值与纵筋的极限强度的比值遥2.1冻融循环次数曲线如图1所示遥

SFCB组试件经不同冻融循环次数作用后的荷载-挠度结合图1和表3可以发现袁SFCB组试件的荷载-挠度均可以分为3个阶段袁淤从开始加载到试件开裂曰于从试件开裂到纵筋内芯钢筋屈服曰盂从内芯钢筋屈服到试件破坏遥相同条件下袁RPC组试件承载力最大袁ECC组试件次之袁混凝土组试件最小遥混凝土组试件经冻融循环作用后极限承载力下降最多袁ECC组试件下降次之袁RPC组试件下降最少遥另袁钢筋组试件由0尧50尧100次冻融循环后的适筋破坏

要51

示袁其中Mu为各试件极限承载力袁滓f/滓u为各组中经历n次

FRP筋袁直径均为20mm遥纵筋力学性能如表2所示袁其中D为总直径袁Ds为内芯钢筋直径袁fy为屈服强度袁fu为极限强度袁Es1为屈服前弹性模量袁Es2屈服后弹性模量遥对于钢用双线性随动强化模型Steel01进行数值模拟分析[2]遥

表2纵筋力学性能

类型钢筋复合筋FRP筋D/mm202020Ds/mm1400fy/MPa372.5要500Es1/GPa200149要fu/MPa10101500要Es2/GPa纵钢筋分别采用普通钢筋尧钢-FRP复合筋渊SFCB冤和

筋的本构关系袁OpenSees提供了3个常用的模型袁本文采

100表3各试件承载力对比

SC-0NoMu/kN窑m42.2439.8734.6428.3240.9336.1932.0527.1140.5835.0730.1625.0119.6320.8821.80

100.00%94.41%82.01%67.06%100.00%88.41%78.30%66.22%100.00%86.42%74.31%61.62%48.38%51.01%51.61%Mu,n/Mu,0100.00%100.00%88.98%74.35%47.79%43.19%39.31%36.01%31.62%27.80%24.20%20.50%16.62%33.56%59.18%滓f/滓uSE-0NoMu/kN窑m50.4049.2447.9246.5254.1652.1849.9047.5645.1954.9152.5249.7947.2644.6244.95

100.00%97.70%95.07%92.30%100.00%96.35%92.14%87.81%100.00%95.63%90.68%86.06%81.25%83.45%89.18%Mu,n/Mu,0100.00%100.00%100.00%100.00%100.00%57.33%56.02%54.40%52.66%50.89%38.71%37.34%35.74%34.36%32.87%滓f/滓uSR-0NoMu/kN窑m58.2458.0757.8857.7194.5293.7793.0292.25106.31105.22104.14103.04101.9491.4857.53

100.00%99.71%99.40%99.10%100.00%99.21%98.41%97.59%100.00%98.98%97.96%96.92%95.89%96.77%98.79%Mu,n/Mu,0100.00%100.00%100.00%100.00%100.00%92.96%92.37%91.78%91.17%90.56%71.75%71.09%70.43%69.75%69.07%滓f/滓uSC-100SC-150SC-200CC-50CC-0

SC-50

SE-100SE-150SE-200CE-50CE-0

SE-50

SR-100SR-150SR-200CR-50CR-0

SR-50

CC-100CC-150CC-200FC-50FC-0

CE-100CE-150CE-200FE-50FE-0

CR-100CR-150CR-200FR-50FR-0

FC-100FC-150FC-200FE-100FE-150FE-200FR-100FR-150FR-200江苏建筑圆园20年第1期渊总第203期冤

图1冻融循环对试件荷载-挠度曲线的影响渊SFCB组冤

图2纵筋类型对试件荷载-挠度曲线的影响

图3截面材料对试件荷载-挠度曲线的影响转变为150尧200次冻融循环后的超筋破坏袁ECC组和RPC试件均为适筋破坏遥2.2纵筋纵筋类类型

型对试件荷载-挠度曲线影响如图2所示遥可以

看出袁钢筋组试件与SFCB组试件的荷载-挠度曲线均可分为3阶段袁钢筋组试件在构件屈服后荷载不增大或稍有增大袁挠度迅速增大袁而SFCB组试件需继续增大荷载袁挠度相应增大直至破坏遥FRP筋试件荷载-挠度曲线可以分为2个阶段袁淤从开始加载到试件开裂曰于从试件开裂试件破坏遥

2.3截截面面材料

材料对试件荷载-挠度曲线影响如图3所示遥可以

看出袁无论何种配筋形式袁RPC组试件承载力最高袁ECC组次之袁混凝土组最低曰RPC组试件的延性最好袁ECC组次之袁混凝土组最差遥2.4从强度利表3可用率

以看出袁各组试件中袁试件达到极限承载力

时袁钢筋组试件材料强度利用率最高袁SFCB组次之袁FRP筋组最低曰RPC组试件纵筋强度利用率最高袁ECC组次之袁混凝土组最低遥3结论

基于OpenSees软件袁对9组不同纵筋类型尧截面材料

类型的试件经0尧50尧100尧150尧200次冻融循环后的受弯99性能进行了分析袁得到如下结论遥

组试渊件1冤降试幅件最大经冻袁ECC融循组环试作件用次之后袁极限承载力下降袁混凝土为渊32冤阶段钢袁筋从组开试始件加与载SFCB到试件组开试裂件袁RPC组试件损失最小曰的试荷件载遥

分开-裂挠到度筋曲材线屈均服可

曰筋材屈服到试件破坏遥钢筋组试件在构件屈服后荷载不增大或稍有增大袁挠度迅速增大袁而SFCB组试件需继续增大荷载袁挠度相应增大遥FRP筋试件荷载-挠度曲线可以分为2个阶段袁从开始加载到试件开裂曰从试件开裂试件破坏遥

结合袁渊可3冤充高分强度发挥的二FRP者强度筋/SFCB高的优材料点袁与提高高性筋能材混凝强度利土材料用率相

袁同时提高试件极限承载力和延性遥

参考文献

[1]郑文忠袁李莉袁卢姗姗.钢筋活性粉末混凝土简支梁正截面受力性能试验研究[J].建筑结构学报袁2011袁32(06):

125-134.

[2]SilviaMazzoni,FrankMeKenna,MichaelH.ScottandGregoryL.Fenves.OpenSeesExampleManual[R].PEER,UniversityofCalifornia袁Berkeley.2003.

[3]混凝土结构设计规范院GB50010要2010[S].北京:中国建筑工业出版社袁2010.

[4]EivindHognestad.Studyofcombinedbendingandaxialloadinreinforcedconcretemembers.Urbana:UniversityofIllinoisEngineeringExperimentStation,1951.

[5]王燕.冻融环境下混凝土力学行为及结构抗震性能研究[D].西安建筑科技大学袁2017.

[6]曹大富袁富立志袁杨忠伟.冻融循环作用下混凝土的受拉性能研究[J].建筑材料学报袁2012袁15渊01冤:48-52.[7]WenJieGe,AshrafFAshour,XiangJi,ChenCai,DaFuCao.FlexuralbehaviorofECC-concretecompositebeamsre鄄inforcedwithsteelbars[J].ConstructionandBuildingMateri鄄als袁2018(159):175-188.

[8]冯肖.冻融循环作用后ECC-FRP筋混凝土复合梁受弯性能研究[D].扬州大学袁2017.

[9]安明喆袁王华袁王月袁韩松袁黄瀚锋袁余自若袁季文玉.活性粉末混凝土在海水冻融作用下的耐久性[J].中国铁道科学袁2018袁39渊02冤:1-9.