左海平,張 釗,梁慶慶,賴世錦,甘珠成

（柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)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(qiáng)等特點(diǎn)[1-2]，近年來(lái)在鋼—混凝土組合梁中得到了廣泛的應(yīng)用。但在組合梁橋的負(fù)彎矩區(qū)，混凝土橋面板容易受拉而開(kāi)裂，從而降低結(jié)構(gòu)的承載力和耐久性[3]。因此，研究波紋鋼腹板組合梁在負(fù)彎矩作用下的力學(xué)性能是非常必要的。

纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料（Fiber Reinforced Polymer，F(xiàn)RP）具有輕質(zhì)高強(qiáng)、施工便捷、耐腐蝕性和耐久性好等優(yōu)點(diǎn)[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(jié)構(gòu)承載力下降等問(wèn)題。

纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料（Engineered Cementitious Composite，簡(jiǎn)稱ECC）是一種具有非常好的韌性、抗裂性的新型建筑材料[5]，F(xiàn)RP 筋與ECC 復(fù)合使用，可以代替組合梁負(fù)彎矩區(qū)的鋼筋混凝土，從根本上解決負(fù)彎矩區(qū)組合梁容易開(kāi)裂的問(wèn)題。

截至目前，關(guān)于FRP 筋與ECC 復(fù)合使用在波紋鋼腹板組合梁負(fù)彎矩區(qū)的研究非常有限，相關(guān)參數(shù)研究也不夠全面。因此，有必要對(duì)FRP 筋增強(qiáng)波紋鋼腹板-ECC組合梁負(fù)彎矩區(qū)進(jìn)行參數(shù)化研究。

該文通過(guò)有限元分析了FRP 筋增強(qiáng)波紋鋼腹板-ECC 組合梁負(fù)彎矩區(qū)的力學(xué)性能，探討了ECC 強(qiáng)度、BFRP 筋配筋率和波紋鋼腹板強(qiáng)度等因素對(duì)FRP 筋增強(qiáng)波紋鋼腹板-ECC 組合梁負(fù)彎矩區(qū)力學(xué)性能的影響，為FRP 筋增強(qiáng)波紋鋼腹板-ECC 組合梁在工程中的應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

該文對(duì)武芳文等[5]開(kāi)展的FRP 筋增強(qiáng)波紋鋼腹板-ECC 組合梁（工況SEB）負(fù)彎矩區(qū)進(jìn)行了三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的有限元分析。該次有限元模擬的試件的相關(guān)尺寸等信息如圖1、圖2 所示。

圖1 試件設(shè)計(jì)（mm）

圖2 加載方式示意圖（mm）

試件尺寸長(zhǎng)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(jí)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(zhǎng)度分別為10 mm 和40 mm。組合梁采用加載梁通過(guò)彈簧支座進(jìn)行三點(diǎn)彎曲加載，加載方式示意圖如圖2 所示。

1.2 材料性能

試驗(yàn)前測(cè)得ECC 立方體抗拉強(qiáng)度為4.63 MPa，抗壓強(qiáng)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(xué)性能參數(shù)如表1 所示。

表1 材料力學(xué)參數(shù)

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(qiáng)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(jù)試驗(yàn)的加載方案，該次模擬進(jìn)行了簡(jiǎn)化。模型采用位移加載，支座處采用簡(jiǎn)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(jìn)行建模，BFRP 筋采用T3D2 桁架單元。BFRP 筋嵌入在ECC 翼緣板內(nèi)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(jìn)行了網(wǎng)格劃分，波紋腹板的基本網(wǎng)格尺寸為10 mm。

參考ECC 本構(gòu)方程[6]，該文采用塑性損傷模型[7]來(lái)模擬ECC 在三點(diǎn)彎曲荷載下的力學(xué)行為。

由于試驗(yàn)中BFRP 筋沒(méi)有斷裂，該文中BFRP 筋的本構(gòu)模型采用線彈性本構(gòu)，鋼材采用雙折線彈塑性本構(gòu)模型，應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖4 所示。

圖4 應(yīng)力應(yīng)變曲線

3 有限元模型驗(yàn)證

如圖5 所示為FRP 筋增強(qiáng)波紋鋼腹板-ECC 組合梁的荷載—跨中撓度曲線的試驗(yàn)與有限元分析結(jié)果對(duì)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(yàn)曲線基本吻合。試驗(yàn)最大跨中撓度32 mm，對(duì)應(yīng)的極限荷載為306 kN，對(duì)應(yīng)有限元分析得到荷載為282 kN，試驗(yàn)結(jié)果比有限元分析結(jié)果高出7.8%，誤差滿足要求。如圖6 所示為試驗(yàn)破壞形態(tài)與有限元分析破壞形態(tài)的對(duì)比，由圖6 明顯看出兩者破壞形態(tài)較為吻合。有限元分析結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果荷載—跨中撓度及破壞形態(tài)的對(duì)比驗(yàn)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(yàn)荷載撓度曲線對(duì)比

圖6 有限元分析與試驗(yàn)破壞對(duì)比

4 FRP 筋增強(qiáng)波紋鋼腹板-ECC 組合梁負(fù)彎矩區(qū)力學(xué)性能影響因素分析

影響FRP 筋增強(qiáng)波紋鋼腹板-ECC 組合梁負(fù)彎矩區(qū)力學(xué)性能的因素包括ECC 強(qiáng)度、BFRP 筋配筋率以及波紋鋼腹板強(qiáng)度等因素。基于前述結(jié)論，該節(jié)將采用有限元模型對(duì)FRP 筋增強(qiáng)波紋鋼腹板-ECC 組合梁在不同ECC 強(qiáng)度、BFRP 筋配筋率和工字鋼腹板強(qiáng)度等因素下的力學(xué)性能規(guī)律進(jìn)行進(jìn)一步分析。

4.1 不同ECC 強(qiáng)度下FRP 筋增強(qiáng)波紋鋼腹板-ECC 組合梁負(fù)彎矩區(qū)力學(xué)性能

以文獻(xiàn)[5]的FRP 筋增強(qiáng)波紋鋼腹板-ECC 組合梁為基準(zhǔn)，保持原有參數(shù)不變，僅改變ECC 抗拉強(qiáng)度的大小來(lái)研究ECC 強(qiáng)度對(duì)該組合梁負(fù)彎矩區(qū)力學(xué)性能的影響。該文選擇了四組ECC 抗拉強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比分析，分別為3.63 MPa、4.63 MPa、5.63 MPa 和6.63 MPa。

當(dāng)ECC 抗拉強(qiáng)度分別為3.63 MPa、4.63 MPa、5.63 MPa和6.63 MPa 時(shí)，組合梁負(fù)彎矩區(qū)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(qiáng)度的增大，F(xiàn)RP 筋增強(qiáng)波紋鋼腹板-ECC 組合梁負(fù)彎矩區(qū)的承載力略微增加，但增幅不明顯。因此，在工程設(shè)計(jì)中，不建議通過(guò)增大ECC 抗拉強(qiáng)度來(lái)提高FRP 筋增強(qiáng)波紋鋼腹板-ECC 組合梁負(fù)彎矩區(qū)的承載力。

圖7 ECC 抗拉強(qiáng)度影響下的荷載—撓度曲線

4.2 不同BFRP 配筋率下FRP 筋增強(qiáng)波紋鋼腹板-ECC組合梁負(fù)彎矩區(qū)力學(xué)性能

以文獻(xiàn)[5]中的FRP 筋增強(qiáng)波紋鋼腹板-ECC 組合梁為基準(zhǔn)，保持原有參數(shù)不變，僅改變BFRP 縱筋的配筋率來(lái)研究BFRP 縱筋配筋率對(duì)該組合梁負(fù)彎矩區(qū)力學(xué)性能的影響。該文選擇了四組配筋率進(jìn)行對(duì)比分析，分別為1.3%、2.3%、3.3%和4.3%。

當(dāng)BFRP縱筋配筋率分別為1.3%、2.3%、3.3%和4.3%時(shí)，組合梁負(fù)彎矩區(qū)的荷載-跨中撓度曲線如圖8 所示。根據(jù)圖8 可見(jiàn)，隨著B(niǎo)FRP 縱筋配筋率的增加，F(xiàn)RP 筋增強(qiáng)波紋鋼腹板-ECC 組合梁負(fù)彎矩區(qū)的承載力基本不發(fā)生變化。這是因?yàn)锽FRP 縱筋具有很高的強(qiáng)度，在工字型鋼梁發(fā)生破壞時(shí)，BFRP 縱筋仍處于彈性階段，并未發(fā)生斷裂破壞。因此，在工程設(shè)計(jì)中，建議不將BFRP 縱筋配筋率設(shè)置得過(guò)大，能夠滿足構(gòu)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(qiáng)度FRP 筋增強(qiáng)波紋鋼腹板-ECC 組合梁負(fù)彎矩區(qū)力學(xué)性能

以文獻(xiàn)[5]中的FRP 筋增強(qiáng)波紋鋼腹板-ECC 組合梁為基準(zhǔn)，保持原有參數(shù)不變，僅改變波紋鋼腹板的強(qiáng)度來(lái)研究波紋腹板強(qiáng)度對(duì)該組合梁負(fù)彎矩區(qū)力學(xué)性能的影響。該文選擇了四組波紋腹板強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比分析，分別為275 MPa、375 MPa、475 MPa 和575 MPa。

當(dāng)波紋鋼腹板強(qiáng)度分別為275 MPa、375 MPa、475 MPa和575 MPa 時(shí)，組合梁負(fù)彎矩區(qū)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(qiáng)度的增大，F(xiàn)RP 筋增強(qiáng)波紋鋼腹板-ECC 組合梁負(fù)彎矩區(qū)的承載力略微增加，但增幅不明顯。因此，在工程設(shè)計(jì)中，不建議通過(guò)增大波紋鋼腹板的強(qiáng)度來(lái)提高FRP 筋增強(qiáng)波紋鋼腹板-ECC 組合梁負(fù)彎矩區(qū)的承載力。

5 結(jié)語(yǔ)

該文基于Abaqus 對(duì)FRP 筋增強(qiáng)波紋鋼腹板-ECC 組合梁負(fù)彎矩區(qū)進(jìn)行數(shù)值模擬，并進(jìn)一步分析FRP 筋增強(qiáng)波紋鋼腹板-ECC 組合梁負(fù)彎矩區(qū)在不同ECC 強(qiáng)度、BFRP 筋配筋率及工字鋼腹板強(qiáng)度等因素下的力學(xué)性能規(guī)律，得到以下結(jié)論：

（1）采用有限元軟件對(duì)FRP 筋增強(qiáng)波紋鋼腹板-ECC 組合梁負(fù)彎矩區(qū)進(jìn)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(tài)與試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，有限元模擬結(jié)果與試驗(yàn)吻合良好，驗(yàn)證了建模方法的合理性。

（2）ECC 抗拉強(qiáng)度及波紋鋼腹板強(qiáng)度增大，F(xiàn)RP筋增強(qiáng)波紋鋼腹板-ECC 組合梁負(fù)彎矩區(qū)的承載力略有增大，設(shè)計(jì)時(shí)不建議通過(guò)增大ECC 抗拉強(qiáng)度及波紋鋼腹板強(qiáng)度來(lái)提高鋼-ECC 組合梁負(fù)彎矩區(qū)的承載力。

（3）BFRP 筋配筋率的提高，F(xiàn)RP 筋增強(qiáng)波紋鋼腹板-ECC 組合梁負(fù)彎矩區(qū)的基本不變，設(shè)計(jì)時(shí)建議按構(gòu)造配筋取值。