摘 要

纤维增强筋(FRP)因其众多的优点,已被广泛地证明可以作为传统钢筋的优良替代物被运用于实际工程结构中。相比于普通钢筋混凝土结构，由于FRP筋特殊的材料特性，FRP筋混凝土结构的受力特性将与钢筋混凝土结构产生较大差别。本文首先结合钢筋混凝土梁计算公式，给出了适合玻璃纤维筋(GFRP)混凝土梁的位移与裂缝修正公式。重点研究了GFRP筋混凝土梁在正常使用阶段下的受弯性能，对其刚度变化进行了探究，并对需要重点控制的变形与裂缝指标进行了参数研究。控制因素分别为混凝土强度等级与纵筋配筋率。从有限元分析的结果来看，GFRP筋混凝土梁在达到开裂荷载后，刚度退化较为迅速，程度较大。另外，在正常使用阶段，增大混凝土强度等级对减小GFRP筋混凝土梁跨中位移与延缓裂缝发展效果并不明显。而配筋率的增大能够在同等荷载条件下，减小裂缝的间距与宽度，并减小构件的挠度。因此，在实际工程应用中，提升配筋率是一种有效的减缓GFRP筋混凝土梁体裂缝的发展并控制梁的受弯变形的方法。

关键词：玻璃纤维筋；ABAQUS；挠度；裂缝；配筋率

Abstract

Fiber reinforced polymer (FRP) has been widely proved to be a good substitute for traditional steel bars because of its many advantages. Compared to the ordinary reinforced concrete structure, because of the special material characteristics of the FRP reinforcement, the stress characteristics of the FRP reinforced concrete structure will be greatly different from the reinforced concrete structure. In this paper, the corrected formula for the displacement and crack of GFRP beams is presented by combining the calculation formula of reinforced concrete beams. The flexural behavior of GFRP reinforced concrete beams under normal use is studied, and the stiffness changes are explored. The parameters of the deformation and crack indexes which need to be controlled are studied. The control factors are concrete strength grade and longitudinal reinforcement ratio. From the results of finite element analysis, the stiffness of GFRP reinforced concrete beams deteriorates faster and larger after cracking load. In addition, in the normal use stage, increasing the strength grade of concrete is not obvious to reduce the mid span displacement of GFRP reinforced concrete beams and delay the development of cracks. The increase of reinforcement ratio can reduce the spacing and width of cracks under the same load condition and reduce the deflection of members. Therefore, in practical engineering application, the increase of reinforcement ratio is an effective method to slow down the development of the cracks of the GFRP reinforced concrete beams and to control the bending deformation of the beams.

Keywords：GFRP；ABAQUS；deflection；crack；reinforcement ratio

目录

第1章 绪论 1

1.1 纤维增强筋（FRP）简介 1

1.1.1 FRP筋发展历史 1

1.1.2 FRP筋力学性能 2

1.2 玻璃纤维筋（GFRP）混凝土梁国内外研究现状 3

1.3 本文研究内容 4

第2章 GFRP筋混凝土梁裂缝及挠度的计算方法 5

2.1 裂缝宽度的计算 5

2.1.1 钢筋混凝土梁最大裂缝宽度计算方法 5

2.1.2 GFRP筋混凝土梁最大裂缝宽度计算方法 6

2.2 挠度的计算 8

2.2.1钢筋混凝土梁挠度计算方法 8

2.2.2 GFRP筋混凝土挠度计算方法 10

第3章 基于ABAQUS的GFRP筋混凝土梁的有限元分析 12

3.1引言 12

3.2 有限元本构模型的选取 12

3.2.1 混凝土本构模型 12

3.2.2 筋材本构模型 14

3.3 GFRP筋混凝土梁有限元模型的建立 15

3.4 有限元结果分析 17

3.4.1应力分析 17

3.4.2荷载-位移曲线 18

3.4.3裂缝形态 19

第4章 GFRP筋混凝土梁挠度与裂缝的影响参数研究 21

4.1 混凝土强度等级对挠度与裂缝的影响 21

4.1.1混凝土强度变化对挠度的影响 21

4.1.2混凝土强度变化对裂缝形态的影响 22

4.2配筋率对挠度与裂缝的影响 24

4.2.1配筋率变化对挠度的影响 24

4.2.2配筋率变化对裂缝形态的影响 25

第5章 结论与展望 27

参考文献 28

致谢 30

第1章 绪论

1.1 纤维增强筋（FRP）简介

1.1.1 FRP筋发展历史

在实际工程应用中，钢筋腐蚀所引起的钢筋混凝土结构的耐久性破坏是土木工程中最普遍的问题之一。解决钢筋锈蚀问题对提升钢筋混凝土结构的整体耐久性至关重要。据有关资料介绍，在美国，几十年前建造的桥梁大部分因钢筋腐蚀已经破坏严重，在将近60万座桥梁中，已有近10万座左右遭受了严重的钢筋锈蚀。在英国，建造在海样和其他水体环境中的各类钢筋混凝土结构，因钢筋腐蚀需要重建或更换钢筋的占总数的三分之一以上。在我国，钢筋腐蚀所引起的结构损坏问题同样值得关注，针对钢筋腐蚀的问题对混凝土结构进行维护保养需要花费大量人力、物力。实际工程应用表明，荷载的作用和外界恶劣环境的侵蚀，会使混凝土保护层碳化、开裂和剥落，从而使混凝土内的钢筋产生锈蚀，影响建筑结构在其使用年限内的安全。

从上世界70年代开始，纤维增强筋(Fiber Reinforced Polymer，简称FRP)替代传统钢筋在土木工程结构中的应用开始受到学术界与工程界的关注。FRP筋具有抗拉强度高、容重小、耐腐蚀、抗疲劳、塑性变形小、电磁绝缘性好等优点，是传统钢筋的优良替代品，见图1.1。

图1.1 FRP筋

从上世纪60年代开始，有关混凝土结构中的FRP筋应用的相关研究已在美国展开，当时的主要目的是为了解决路桥用盐解冻所造成的混凝土内钢筋严重锈蚀问题^[1]。从70年代起，日本开始了FRP配筋的相关研究，其生产工艺采用试配法，并开发了多种形式的FRP筋材。同时期，欧洲也逐步开始探究FRP筋在混凝土结构中的应用，当时德国和奥地利的几座桥梁便采用了FRP配筋。 我国对FRP筋的研究及应用的起步较晚，直到上世纪90年代中期才开始针对GFRP筋(Glass Fiber Reinforced Polymer，简称GFRP)的生产工艺以及在混凝土结构中的性能进行初步的研究^[2]。

FRP筋的主要应用范围有:（1）可用作混凝土桥梁的大梁中的预应力筋和板中的配筋或外部加固筋，及需要防结冰的混凝土结构处，例如桥墩、隔离栏等（2）可用于海水、淡水的码头、堤坝、或靠近水边的混凝土构筑物中（3）用于有机物含量较多的、腐蚀性较强、受地下水升降变化影响的浮动建筑、地下室、深井、隧道、钻探勘探工程中短期加固的水泥结构，对重量敏感的水泥结构等处（4）用于接触化学腐蚀环境的混凝土结构中，如污水处理厂、化工厂、造纸厂、冶炼厂、电镀厂等（5）可用作水泥路面的传力杆，以减少普通钢筋传力杆的腐蚀造成的混凝土路面的剥落（6）利用其高强性能作为斜拉桥的拉索（7）由于FRP筋具有良好的透波性和非磁性，可将其用于对电磁有特殊要求的结构中，如电化通讯设备建筑、雷达站、机场通讯塔、医院电磁设备房等^[3]。

1.1.2 FRP筋力学性能

实践证明，GFRP筋作为纤维增强复合材料的一种，能够很好地代替混凝土结构中的传统普通钢筋。总体来说，GFRP筋主要具有如抗拉强度高、抗剪强度低、容重小、弹性模量较低、热膨胀系数与混凝土接近等力学特点，现分述如下：

1.抗拉强度

相比于普通钢筋，FRP筋具有更高的抗拉强度。普通钢筋的抗拉强度一般在200-600MPa之间，而像GFRP筋的抗拉强度可达500-1200MPa。GFRP筋内部的承重材料为玻璃纤维丝，因此，GFRP筋的抗拉强度很大程度上取决于其内部玻璃纤维丝的成分占比。相关研究表明，GFRP筋的抗拉强度随着其直径的增大而减小，这是因为直径的增大会使玻璃纤维之间产生剪力滞后，GFRP筋中越远离轴心部位，纤维丝所受的拉应力越大。

2.抗剪强度

GFRP筋的剪切强度主要是由树脂性能决定的，其抗剪强度较低。GFRP筋的抗剪强度一般仅为其抗拉强度的四分之一，沿横截面方向可以比较容易的切割开，可以通过调整玻璃纤维筋的方向使其利用轴向拉力来抵抗剪切荷载^[4]。

3.容重

GFRP筋的容重较小，为普通钢筋的五分之一左右。对于同等规格的筋材，GFRP筋的质量会远远低于传统钢筋，其强度与质量密度的比值可以达到普通钢筋的10-15倍。在工程结构中，用GFRP筋替代传统钢筋将能有效地减轻结构的自重。

4.弹性模量

不同于传统钢筋为弹塑性材料，GFRP筋为线弹性材料，，没有屈服点，其应变随应力线性增大直至最终破坏。GFRP筋的抗拉弹性模量较低，仅为钢筋的四分之一，一般在40-55GPa之间。

5.热膨胀性

GFRP热膨胀性与混凝土十分接近，这使得他们之间粘结性能较好，在受热膨胀时相对滑移并不显著，能够较好地协同工作。混凝土材料的热膨胀系数为至，而GFRP筋的纵向热胀系数也大约在到之间。

1.2 玻璃纤维筋（GFRP）混凝土梁国内外研究现状

由于GFRP筋的几何及材料特性与传统普通钢筋有着较大的差别，因此现有的普通钢筋混凝土构件的力学特性与设计方法等结论不能直接应用于GFRP筋混凝土构件中。通过试验研究与理论分析，确定满足玻璃纤维筋混凝土构件特性的设计理论是当前需要解决的问题。关于FRP筋的力学性能以及GFRP筋混凝土梁的受力特性，国内外学者近年广泛开展了各类研究。

1993年，Brown和Batholomew对六根GFRP筋混凝土梁试件进行了受弯试验。试验结果表明，由于GFRP筋弹性模量较低，导致梁体裂缝数目增多、裂缝宽度增加、挠度增大^[5]。

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