1  緒論

1.1  研究背景 
鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)經(jīng)過一百多年的發(fā)展，已經(jīng)成為主要的結(jié)構(gòu)形式，但也暴露出兩大問題。其一，許多鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件，如橋梁和港口承臺等因直接曝露在腐蝕環(huán)境中，鋼筋銹蝕導(dǎo)致構(gòu)件損傷嚴(yán)重，影響了構(gòu)件的服役年限，如圖 1.1 所示；其二，隨著經(jīng)濟(jì)與社會的發(fā)展，人類面臨石材短缺、建筑垃圾堆積等嚴(yán)峻形勢。尋找新材料、新工藝發(fā)展新型結(jié)構(gòu)成為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點。 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）是一種新型工程結(jié)構(gòu)材料，由連續(xù)纖維和樹脂基體復(fù)合而成。目前工程應(yīng)用的 FRP 種類主要包括碳纖維（CFRP）、玻璃纖維（GFRP）、芳綸纖維（AFRP）和玄武巖纖維（BFRP）。這些材料因其高比強(qiáng)度和良好的耐久性能等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于土木工程的各個領(lǐng)域。作為一種無腐蝕基材的高分子材料，F(xiàn)RP 筋材替代普通鋼筋可減小構(gòu)件因鋼筋腐蝕導(dǎo)致的昂貴維修費用，具有減少構(gòu)件生命周期成本的潛力；同時，該材料也可以用于防磁、防靜電的混凝土構(gòu)件中；也因其輕質(zhì)高強(qiáng)的特點，使其在混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用更具潛力。目前，應(yīng)用于結(jié)構(gòu)工程的 FRP 材料主要分為 FRP 短切纖維、FRP 片材、FRP 板材、FRP 筋材。前三者，國內(nèi)外研究較早，研究成果較后者更為成熟。FRP 筋材因其輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕等優(yōu)點能夠替代結(jié)構(gòu)構(gòu)件中鋼筋，特別是曝露在腐蝕性環(huán)境下的構(gòu)件，如橋梁、海港、水工、高寒地區(qū)、氯鹽環(huán)境下的結(jié)構(gòu)等[1]。BFRP 筋作為一種新型 FRP 筋，彈性模量和抗拉強(qiáng)度雖低于 CFRP 筋，但其來源豐富，價格低于其它類型的 FRP 材料，故在工程應(yīng)用中也有其獨特優(yōu)勢。 再生混凝土是將廢棄混凝土塊體破碎、清洗、篩分后，部分或全部替代天然粗骨料而制成新的混凝土。在當(dāng)前人類面臨建筑石材日益短缺、城市廢棄物填埋占地嚴(yán)重和環(huán)境污染問題日益突出的形勢下，再生混凝土的研究和推廣，具有極其重要的工程應(yīng)用價值和巨大的社會效益、經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)保效益[2]。 混凝土梁是混凝土結(jié)構(gòu)中的重要受力構(gòu)件。實際工程中混凝土梁的破壞形態(tài)主要有抗彎和抗剪破壞兩種。而剪切破壞屬于脆性破壞，梁發(fā)生脆性破壞的征兆沒有彎曲破壞的明顯，而且后果較彎曲破壞也更加嚴(yán)重；特別是針對土木工程領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的深受彎構(gòu)件，抗剪性能的研究具有非常重要的實際意義。 
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1.2 FRP 筋混凝土梁抗剪研究現(xiàn)狀 
FRP 筋具有抗拉強(qiáng)度高、抗腐蝕性能好等優(yōu)點，能較好地適用于特殊環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)。但是，F(xiàn)RP 筋的橫向抗剪強(qiáng)度低，不足其抗拉強(qiáng)度的 10%；而且，F(xiàn)RP 筋的彈性模量一般也小于鋼筋的彈性模量。因此，國內(nèi)外的工程師與學(xué)者們十分關(guān)注 FRP 筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗剪性能[3]。國外從 20 世紀(jì) 80 年代就開始研究 FRP 筋混凝土梁的抗剪問題，主要從梁抗剪性能影響因素、抗剪機(jī)理、抗剪強(qiáng)度計算等方面展開研究。美國、加拿大、日本、歐盟等國家和組織也已出臺相關(guān)設(shè)計規(guī)范，對 FRP 筋混凝土梁的施工進(jìn)行指導(dǎo)。 Alam 和 Hussein[4]基于剪跨比、縱筋軸向剛度、梁截面尺寸大小、混凝土強(qiáng)度四因素對 FRP 筋混凝土梁抗剪承載力的影響展開研究，提出了統(tǒng)一計算公式；并將計算結(jié)果與 132 根 FRP 筋矩形無腹筋梁的試驗數(shù)據(jù)和現(xiàn)有規(guī)范的計算結(jié)果進(jìn)行對比，驗證了統(tǒng)一公式的可行性。 Razaqpur 等[5]對 FRP 筋梁的抗剪機(jī)理和傳力機(jī)制進(jìn)行了研究；并介紹了其在加拿大FRP 相關(guān)規(guī)范 CSA  S806-12 中的應(yīng)用；通過對 300 多根 FRP 筋混凝土梁試驗數(shù)據(jù)的回歸分析，評估了所述規(guī)范的準(zhǔn)確性以及基本假設(shè)的合理性；并在對比了幾種建議公式的計算結(jié)果后，得出結(jié)論：加拿大規(guī)范 CSA  S806-12 公式更適合于 FRP 筋梁抗剪承載力的計算。 
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2  試驗概況 

為了研究與驗證本文理論計算與數(shù)值模擬的合理性，本章簡介了課題組所做的試驗，其來源于本課題組遼寧工業(yè)大學(xué)孫英明的碩士論文《無腹筋 BFRP 筋再生混凝土深梁抗剪性能研究》[64]，并對試驗結(jié)果進(jìn)行了初步分析。 

2.1  試驗設(shè)計 

2.1.1  材料 
本試驗?zāi)z凝材料采用渤海牌 42.5 級普通硅酸鹽水泥，密度為 3 g/cm3，28 天抗壓強(qiáng)度為 49.6 MPa；砂為河砂，堆積密度 1.6 g/cm3，表觀密度 2.7 g/cm3，，細(xì)度模數(shù) 2.46，屬Ⅱ區(qū)中砂；再生粗骨料來源于廢棄建筑混凝土（原混凝土設(shè)計強(qiáng)度等級為 C30），經(jīng)破碎和篩分得到粒徑范圍為 5-20 mm，堆積密度為 1.4 g/cm3，表觀密度為 2.6 g/cm3，吸水率 3.8%，壓碎指標(biāo)  18.1%，外觀形態(tài)如圖 2.1 所示；粉煤灰采用錦州市國際熱電廠生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰，表觀密度 2.2 g/cm3，細(xì)度 14.2%；高效減水劑為 PC 聚羧酸粉狀固體高效減水劑，減水率 35%；玄武巖表面噴砂纖維筋，來自江蘇天龍玄武巖連續(xù)纖維高新科技有限公司，其外觀形態(tài)見圖 2.2，性能指標(biāo)見表 2.1。 
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2.2  試驗結(jié)果及分析 

在分配梁作用下，每根梁均對稱地加載了兩個集中荷載，梁剪跨段的剪力應(yīng)是所加荷載的一半，故梁的抗剪承載力為極限荷載的二分之一。試驗梁的開裂荷載、極限荷載、抗剪承載力以及破壞模式列于表 2.3。根據(jù)控制變量法原理，圖 2.6 顯示了其他變量相同，剪跨比不同的三根試驗梁 BF-1、BF-2、BF-3 的抗剪承載力。結(jié)果顯示試驗梁的抗剪承載力隨剪跨比的增大呈下降趨勢。BF-1 的剪跨比為 1.54，抗剪承載力為 120.1  kN。當(dāng)剪跨比增大到 1.73 時，相應(yīng)的抗剪承載力減小了 24.3%；剪跨比為 2.02 時，抗剪承載力下降了 30.2%[2]。 

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3 BFRP 筋再生混凝土無腹筋深梁抗剪承載力計算 .... 21 
3.1  加拿大 CSA S806-02、CSA S806-12 抗剪承載力計算 ....... 21 
3.2  美國 ACI 440.1R-06 抗剪承載力計算 ...... 22
3.3  日本 JSCE-97 抗剪承載力計算 .......... 22 
3.4  我國 GB50010-2010 抗剪承載力計算 ...... 23 
3.5  基于拉—壓桿模型的抗剪承載力計算 ..... 23 
3.6  不同規(guī)范計算結(jié)果對比 ........ 30 
3.7  本章小結(jié) .... 31 
4 BFRP 筋再生混凝土無腹筋深梁有限元分析 ..... 33 
4.1  有限元軟件 ANSYS 簡介 ..... 33
4.2  本構(gòu)關(guān)系 .... 33
4.3  單元類型 .... 36
4.4 BFRP 筋再生混凝土無腹筋深梁有限元計算模型 ........ 37 
4.4.1  有限元模擬 .... 37
4.4.2 ANSYS 非線性分析收斂控制 .......... 38 
4.5 BFRP 筋再生混凝土無腹筋深梁有限元結(jié)果與分析 .... 39
4.6  本章小結(jié) .... 52 
5  結(jié)論與展望 .......... 53 
5.1  結(jié)論 ..... 53 
5.2  展望 ..... 53 

4 BFRP 筋再生混凝土無腹筋深梁有限元分析 

4.1  有限元軟件 ANSYS 簡介 
結(jié)構(gòu)工程中許多力學(xué)問題，由于幾何和材料的復(fù)雜性，人們能夠得出其邊界條件和基本方程，但是通過解析法去求解很困難。一般解決此類問題，有兩種途徑：一是引入適當(dāng)假設(shè)簡化條件，再求解析解；二是保留問題的復(fù)雜性，借用計算機(jī)數(shù)值模擬方法來求解問題。數(shù)值模擬技術(shù)基于現(xiàn)代數(shù)學(xué)和力學(xué)理論等知識，通過計算機(jī)來求解滿足工程應(yīng)用的數(shù)值解。 ANSYS 軟件作為一款大型通用有限元分析軟件，在土木、水利、交通、能源、國防等眾多工程領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。ANSYS 能夠進(jìn)行結(jié)構(gòu)、流體、熱力學(xué)、電磁學(xué)等研究。 ANSYS 軟件基于有限單元法，先化整為零，再由零集整。將一個原來連續(xù)的系統(tǒng)，分割為有限多個通過有限個節(jié)點而相互連接在一起的單元，再根據(jù)體系的平衡方程、物理方程、幾何相容條件以及位移插值函數(shù)，構(gòu)建節(jié)點與所求未知量的相互作用關(guān)系，最后再把所有單元的這種性質(zhì)，按照連續(xù)條件、變形協(xié)調(diào)條件或者能量原理，引入邊界條件，得出一組以節(jié)點位移為未知量的線性代數(shù)方程組，求解后便可得到所求變量。 目前，國內(nèi)外學(xué)者對 FRP 筋梁的研究日趨成熟，但大部分學(xué)者的研究集中于試驗方面。試驗過程可以比較直觀和真實地體現(xiàn)梁的受力、變形、裂縫和破壞等過程；但試驗的資金成本和時間成本都較大，且對人力和場地等條件的要求高。通過有限元模擬技術(shù)可以克服上述試驗的不足，另一方面也可以通過模擬驗證試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。 鋼筋混凝土有限元模型根據(jù)鋼筋的處理方式分為整體式、分離式與組合式三種[72]。整體式將鋼筋單元分布于整個單元中，假定鋼筋與混凝土之間粘結(jié)良好無相對滑移，求解出的是綜合了鋼筋與混凝土的單元剛度矩陣。整體式模型建模方便、效率高，但僅適用于鋼筋分布較均勻的區(qū)域，如剪力墻和樓板，且很難得出鋼筋的內(nèi)力。分離式將鋼筋與混凝土分為兩種不同的材料和單元來處理。鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)—滑移關(guān)系可用粘結(jié)單元來模擬。分離式模型建模復(fù)雜，需要考慮共用節(jié)點問題，比較適用梁、柱的內(nèi)力分析。組合式將構(gòu)件橫截面分為若干鋼筋層和混凝土層來處理混凝土板、殼等問題。 
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結(jié)論 

本文闡述了國內(nèi)、外關(guān)于纖維筋再生混凝土深梁抗剪性能相關(guān)的研究現(xiàn)狀；基于課題組相關(guān)試驗，對試驗深梁的剪切承載力進(jìn)行了理論計算；并采用 ANSYS 軟件，對試驗梁進(jìn)行有限元模擬分析。以下為本文研究結(jié)論： 
（1）加拿大規(guī)范CAN/CSA S806-12 對試驗梁的抗剪承載力預(yù)測結(jié)果穩(wěn)定性最好，但與試驗結(jié)果的吻合度稍差；基于美國ACI 318-11 規(guī)范的拉—壓桿模型方法預(yù)測效果和結(jié)果穩(wěn)定性都較好；美國ACI  440.1R-06 對試驗梁的預(yù)測結(jié)果與拉—壓桿模型計算的效果相近；日本JSCE-97 和中國GB  50010-2010 規(guī)范對試驗梁抗剪強(qiáng)度的計算結(jié)果過于保守。 
（2）ANSYS 模擬得到的梁應(yīng)力云圖拉、壓應(yīng)力分布情況符合拉—壓桿力學(xué)模型，驗證了應(yīng)用拉—壓桿模型理論的合理性。 
（3）梁內(nèi)纖維筋應(yīng)變與應(yīng)力呈現(xiàn)跨中大、兩邊小的分布規(guī)律；纖維筋應(yīng)力利用率隨梁剪跨比、FRP 筋配筋率和混凝土強(qiáng)度的增加而減小，隨截面有效高度的增加呈現(xiàn)先減小后增大的規(guī)律。 
（4）梁開裂荷載隨著剪跨比的增大而減小，隨截面有效高度、再生混凝土抗壓強(qiáng)度的提高而提高，縱筋配筋率對試驗梁的開裂荷載影響效果不明顯。 
（5）試驗梁的抗剪承載力隨剪跨比增大而減小，隨縱向配筋率、截面有效高度、再生混凝土抗壓強(qiáng)度的提高呈現(xiàn)上升趨勢。 
（6）ANSYS 分析時采用將 FRP 筋與再生混凝土共節(jié)點的方式，并通過折減 20% BFRP 筋彈性模量可以很好預(yù)測試驗梁的抗剪承載力；但是，對于試驗梁的變形預(yù)測存在一定偏差。
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參考文獻(xiàn)(略) 

本文編號：65371