GFRP筋混凝土的压缩实验及有限元简析

龚洪亮 翁锐

【摘要】纤维增强复合塑料（简称FRP）是由连续纤维材料和粘结胶体组成的一种高性能复合材料。在土木工程领域，主要采用FRP材料代替钢筋以解决钢筋的腐蚀问题。FRP筋和混凝土构成一种组合结构材料的基本条件是二者之间具有可靠的粘结和锚固性能。只有保证了力的有效传递，才能达到FRP筋和混凝土整体协同工作的目的。

【关键词】GFRP筋混凝土；压缩实验；有限元

因其力学性能与钢筋差别较大，使其投入使用需要更加了解这种材料，采用分组对照的形式，通过改变配筋方式，寻找FRP筋更加合适的使用方案。

一、GFRP筋混凝土的压缩实验

（一）实验方案

本次试验使用的混凝土设计强度等级为C30，普通硅酸盐水泥的规格为325，粗骨料的粒径在0.75～20mm（连续的级配），中砂的细度模数是2.3。抗压实验在微机控制液压式万能试验机上进行，并使用标准混凝土试块（150mm×150mm×150mm），加载速率控制在0.04mm/s左右。试验时，逐渐加大轴向力直到试样被破坏，停止实验，得到混凝土试件的应力-应变曲线，并记下混凝土试件的极限抗压强度值。在分析试验结果时，必须确保三组试验数据的最大值、最小值与中间值之间的差值不大于中间值的15%，若不满足则应重新测试。

（二）试件制作

一是混凝土配合比设计。混凝土中各材料的用量为：水泥，水，砂，碎石。制作混凝土试样时，按配合比计算出所需的每一种材料的用量，然后在电子称上精确称量。实验开始时，先用清水和毛刷将搅拌机清洗干净，再将在电子称上称量好的材料依次放入搅拌机中，搅拌约30s后加入原先称量好的水，均匀搅拌60s后出料，将拌合物均匀摊铺在钢板上，进行塌落度试验测试。将拌和好的拌合物填充至规定的模具中，其中模具规格为：150mm×150mm×150mm，然后将模具放在振捣台上进行连续振动，直至拌合物压实后停止振动，最后将其表面抹平，放置2d后拆模，再将其放入标准养护室养护约一个月，最后再置于常温下养护。二是GFRP筋混凝土制作。在素混凝土的中间位置铺设GFRP筋，GFRP筋的直径为8mm，长度为100mm，均布布置的GFRP筋用量分别为4根、8根、12根，每组需至少3个混凝土试块。

二、混凝土压缩试验有限元分析

（一）素混凝土立方体压缩试验模型建立

本文采用单元类型进行模拟，其单元尺寸为1∶1，并且将立方体模型划分为若干个立方体小单元，其中小单元的尺寸为1cm，立方体底面是三个方向上的全约束，并且与压头接触的顶面周围四面完全不受约束。素混凝土立方体模型的单轴压缩应力可从之前所做的素混凝土的压缩实验中直接获得。

（二）GFRP筋混凝土立方体压缩试验模型的建立

GFRP立方体模型是采用三层材料建立的。上、下兩层材料选用混凝土，中间层材料则选用GFRP筋。

（三）实验结果和数值模拟结果的分析

当混凝土立方体试件在压力作用下时，应力和应变都逐渐增加；当混凝土试件受压破坏时，其压应力达到最大值，此后，应力应变呈现下降关系；然而，素混凝土应力应变下降速度快于GFRP筋混凝土的下降速度，表明素混凝土从开始到发生破坏的时间间隔较短；当两种混凝土在发生破坏时，GFRP筋混凝土的应力值明显大于素混凝土，表明GFRP筋混凝土比素混凝土具有更好的力学性能。素混凝土发生破坏的时间点早于GFRP筋的破坏，并且破坏时的应力值大于素混凝土的应力值。表明GFRP筋混凝土的抗压承载能力要明显大于素混凝土。应力—应变关系呈弹性，其弹性模量较低，因此GFRP筋构件发生脆性变化，裂缝宽度较大，裂缝间距也较大，接近极限承载力时主要裂缝根部出现一些分叉裂缝。裂缝首先在纯弯段出现，开裂的数量较多且相对均匀，荷载不断加大，开始出现斜向裂缝，沿长度方向进行分布，弯剪区裂缝不断增大扩展，并且向压力点倾斜，最终变宽贯通，板的破坏主要是由于所出现的斜向裂缝造成的混凝土立方体加-卸载循环分。当GFRP筋混凝土中纤维筋用量为12根时，在一次循环加载后，素混凝土基本失去了力学性能，而GFRP筋混凝土还能保持良好的力学性能。在稳定加载一段时间后，素混凝已经完全失去了力学性能，不能继续工作。然而，GFRP筋混凝土还可以继续承受连续荷载的影响，并进一步证明了GFRP筋混凝土具有良好的延性性能。通过ANSYS对混凝土立方体循环加-卸载的模拟，可以看出GFRP筋的抗疲劳性能强于素混凝土。）通过对GFRP筋混凝土和素混凝土的标准立方体抗压强度试验结果表明，GFRP筋混凝土的力学性能明显优于素混凝土，因此，我们可以再继续加深对GFRP筋性能方面的研究，充分发掘它的潜能而更好地应用在工程实践中。

通过ANSYS模拟的不同GFRP筋用量对混凝土应力-应变的影响，说明GFRP筋用量的增多能延长混凝土的使用寿命，因此可在实际工程中广泛使用GFRP筋。通过ANSYS有限元模拟混凝土立方体加-卸载循环过程，表明加GFRP筋后的混凝土的抗疲劳性优于素混凝土，因此可以在路面层中合理铺设GFRP筋来提高水泥路面的抗疲劳性。

参考文献

[1]腾锦光，陈建飞.FRP加固混凝土结构[M].北京：中国建筑工业出版社，2016：1～63.

[2]过镇海，时旭东.钢筋混凝土原理和分析[M].北京：清华大学出版社，2015：143～157.