柳州铁道职业技术学院摘要：为研究钢—ECC组合梁负弯矩区受弯性能

赖世进 左海平 张兆良 青青 柳州铁道职业技术学院

摘要：为了研究钢-ECC组合梁负弯矩区的弯曲性能，建立了钢-ECC组合梁负弯矩区的有限元模型，并验证了计算结果的正确性。基于载荷-挠度曲线的有限元模型。 在此基础上,研究了ECC翼缘板纵筋配筋率、ECC翼缘板ECC强度、工字梁翼缘强度等因素对钢-ECC组合梁抗弯性能的影响。对负弯矩区进行了研究。 研究结果表明：随着ECC翼缘板纵筋配筋率和工字钢梁翼缘强度的增加，钢-ECC组合梁负弯矩区承载力增大； ECC抗拉强度的变化对结构承载力的影响不大。

关键词：钢-ECC组合梁； 负弯矩区； 有限元分析; 弯曲性能；

作者简介：赖世进(1993—),男,硕士研究生,讲师,研究方向:高性能混凝土结构。 ;

基金资助:广西大学中青年教师科研基础能力提升项目“FRP增强型ECC桥面连接板优化设计及力学性能研究”(2022KY1400)、“基于BIM的结构健康评估与信息管理研究”铁路桥梁工程》（2022KY1405）、《基于拉索减震支座技术的铁路连续梁桥抗震性能研究》（2023KY1440）； 柳州铁道职业技术学院校级科研项目“碳纤维编织网增强工程水泥基复合材料力学性能研究”（2022-KJC03）、“CFRP增强材料抗震性能及工程应用设计研究”地铁站中心柱”（2022-KJB19）；

0 前言

钢-混凝土组合连续梁桥结构以其刚度高、自重轻、跨越能力强等优点在实际工程中得到广泛应用[1]。 然而，钢-混凝土连续梁桥负弯矩区的混凝土容易出现开裂，降低了桥梁的耐久性[2]。 因此，提高桥梁负弯矩区混凝土的抗裂性能是研究热点。

现有技术中通过调整混凝土浇筑顺序、调整负弯矩下支撑、强力加固方法、应用预应力方法等方法[3]，在一定程度上解决了负弯矩区域混凝土开裂问题。 ，但他们一直没能解决问题。 克服混凝土固有的抗拉强度低、韧性差等力学性能缺陷。 与普通混凝土相比，超高性能混凝土（UHPC）具有更高的抗拉强度和韧性，钢-UHPC组合连续梁桥结构已经出现[4]。 这种结构方法可以有效克服混凝土开裂的倾向。 然而，UHPC的裂缝控制性能无法满足使用需求，迫切需要具有更好变形和裂缝控制性能的混凝土材料进行进一步优化。 工程水泥基复合材料（ECC）具有较高的拉伸延性、较强的抑制裂纹能力、良好的自修复能力、较强的抗侵蚀能力等优异性能[5]。 将ECC应用于钢-混凝土连续梁桥负弯矩区，有望从根本上克服钢-混凝土连续梁桥负弯矩区易开裂的问题，提高钢-混凝土连续梁桥的使用性能。大跨度、复杂环境。 适用性如下。

基于此，为了研究钢-ECC组合梁负弯矩区的弯曲性能，建立了钢-ECC组合梁负弯矩区的有限元模型，并验证了其正确性。基于载荷-挠度曲线的有限元模型。 在此基础上,研究了ECC翼缘板纵筋配筋率、ECC翼缘板ECC强度、工字梁翼缘强度等因素对钢-ECC组合梁抗弯性能的影响。对负弯矩区进行了研究。

1 试验概述 1.1 试件设计

本文对范建生等人开展的钢-ECC组合梁（编号SEB-1）负弯矩区四点弯曲试验进行有限元模拟。 [6]。 本次模拟中组合梁试件尺寸及配筋信息如图1所示。试件长、宽、高分别为3200 mm、600 mm、250 mm。 钢梁采用Q235级H型工字钢，ECC翼缘板纵向钢筋采用直径12毫米或8毫米的HRB335钢筋，横向钢筋采用HPB235钢筋。 组合梁布置两排剪力钉，纵向间距50毫米，高度45毫米，直径8毫米。 组合梁采用加载梁进行静态单调4点弯曲加载。 加载方法示意图如图2所示。

1.2 材料特性

试验前测得钢-ECC组合梁的立方体抗压强度为55.8 MPa，抗拉强度为3.7 MPa，弹性模量为22.05 GPa。 钢材及钢筋的材料力学性能参数见表1。

图1 试件设计（mm） 下载原图

图2 加载方式示意图（mm） 下载原图

表1 材料力学参数 下载原图

2 有限元模型的建立

本文利用有限元软件ABAQUS建立了钢-ECC组合梁的有限元模型。 为了保证有限元分析的收敛性，本次模拟采用位移加载。 在加载点和支撑位置设置刚性垫。 在焊盘顶面的中心设置参考点，以与焊盘顶面的中心耦合。 位移载荷加载在参考点上。 。 支撑处采用简支梁约束。 ECC翼缘板、工字钢梁和螺柱均采用C3D20R二次降积分单元，纵横杆采用T3D2桁架单元。 所有钢筋、螺柱与ECC翼缘板之间采用内置约束，螺柱与钢梁之间采用绑定约束。 钢-ECC组合梁有限元网格划分及模型如图3所示。

图3 ABAQUS有限元模型下载原图

参考蔡向荣等人提出的压缩本构模型。 [7]以及Han等人提出的ECC张力本构模型。 [8]，塑性损伤模型用于模拟ECC在四点弯曲载荷下的力学行为。 钢筋采用双线弹塑性行为。 本构性。

3 有限元模型验证

图4为静单调荷载作用下钢-ECC组合梁荷载-跨中挠度曲线的有限元模拟结果与试验结果对比。 有限元模拟的荷载-跨中挠度曲线与试验曲线比较吻合，曲线趋势基本一致。 但后期试验组合梁呈现下降趋势。 这是由于实际试验中钢梁存在初始缺陷，失效前发生了下翼缘屈曲。 ，导致承载能力下降。 本文有限元分析得到钢梁在静力单调荷载下的极限荷载为160.0 k N。试验钢-ECC组合梁在静力单调荷载下的极限荷载为171.0 k N。有限元模拟结果比测试结果高出6.9%。 ，误差满足要求。 有限元分析结果与试验结果的对比验证了本文建立的有限元模型的合理性。

图4 有限元分析与试验荷载挠度曲线对比 下载原图

4 钢-ECC组合梁负弯矩区弯曲影响因素分析 4.1 不同配筋率

基于文献[6]钢-ECC组合梁试验，研究了1.0%、2.0%、3.0%、4.0%四组配筋率对钢-ECC组合梁负弯时受弯性能的影响研究了矩域。 四种配筋率下的ECC翼缘板纵筋在静单调荷载作用下的荷载-跨中挠度曲线如图6所示。从图5中可以看出，随着翼缘板纵筋配筋率的增加，负弯矩区钢-ECC组合梁的承载力增加：配筋率从1.0%增加到2%时，承载力增加3.1%； 当配筋率由2.0%增加到3%时，承载力提高1.7%； 当配筋率由3.0%增加到4%时，承载力增加2.0。 可以看出，产量和极限荷载在1.0%到2%之间显着增加。

图5 配筋率影响下的荷载-挠度曲线 下载原图

4.2 ECC强度

探讨2.7 MPa、3.7 MPa、4.7 MPa、5.7 MPa四组ECC抗拉强度对钢-ECC组合梁弯曲性能的影响。 这四个强度对应于静单调荷载下钢-ECC组合梁负弯矩区的荷载。 -跨中挠度曲线如图6所示。随着ECC抗拉强度的增加，负弯矩区钢-ECC组合梁的承载力略有增加，但不显着。 ECC主要在负弯矩区增加。 利用其控制裂缝的能力。

图6 ECC拉伸强度影响下的载荷-挠度曲线 下载原图

4.3 工字钢翼缘强度

在文献[6]的试验基础上，保持原模型参数不变，选取工字钢强度组374.5 MPa、424.5 MPa、474.5 MPa、524.5 MPa 4组，研究分析工字钢强度对模型的影响。钢-ECC 组合。 梁的负弯矩区域受弯曲行为的影响。 四种工字梁翼缘强度的钢-ECC组合梁在静单调荷载作用下负弯矩区的荷载-跨中挠度曲线如图7所示。随着工字梁强度的增加，钢-ECC组合梁负弯矩区承载力增强； 当工字钢翼缘强度从354.5 MPa增加到414.5 MPa时，承载能力增加6.2%，而工字钢翼缘强度从414.5 MPa增加到474.5 MPa时，承载能力增加8.2%。 当工字钢翼缘强度从474.5 MPa增加到534.5 MPa时，承载能力增加了5.0%。 当钢梁翼缘强度在314.5～474.5 MPa之间增加时，承载力增加更为明显。

5 结论

采用有限元软件对钢-ECC组合梁负弯矩区进行模拟分析。 将有限元模拟分析得到的荷载-跨中挠度曲线与试验进行了比较。 有限元仿真与试验结果吻合较好，验证了建模方法。 分析了钢-ECC组合梁负弯矩区的合理性。 分析了不同配筋率、工字梁翼缘板强度和ECC强度对结构抗弯性能的影响，得到以下结论：

(1)随着ECC翼缘板纵筋配筋率的增加，钢-ECC组合梁负弯矩区的承载力也随之增加。 当配筋率在2.0%左右时，结构具有较好的抗弯性能。

(2)随着ECC抗拉强度的增加，钢-ECC组合梁负弯矩区承载力略有增加，但增加幅度并不显着。 ECC在结构中主要提高结构的延展性。 设计时不建议通过提高ECC的抗拉强度来提高钢-ECC组合梁负弯矩区的承载力。

(3)随着工字钢梁翼缘强度的增加，钢-ECC组合梁负弯矩区的承载力也随之增加。 当钢梁翼缘强度在474.5 MPa左右时，效果较好。

图7 翼缘强度影响下的荷载-挠度曲线 下载原图

参考

[1] 陈宝春，牟廷民，陈一言，等。 我国钢-混凝土组合结构桥梁研究进展及工程应用[J]. 建筑结构学报，2013（S1）：1-10。

[2] 范建生，聂建国，张艳玲。 钢-混凝土组合梁抗裂试验研究[J]. 土木工程学报，2011(2):1-7。

[3] 张艳玲. 钢-混凝土组合梁负弯矩区力学性能及开裂控制试验与理论研究[D]北京:北京交通大学,2009.

[4]《中国公路学报》编辑部。 我国桥梁工程学术研究述评·2021[J]. 中国公路学报，2021(2):1-97。

[5] Li VC, Leung CK Y. 短随机纤维复合材料的稳态与多重开裂[J]. 工程力学学报，1992（11）：2246-2264。

[6] 范建生，石正杰，桂双科，等。 钢-ECC组合梁负弯矩区弯曲性能试验研究[J]. 中国土木工程学报，2017(4):64-72。

[7]蔡向荣. 超高韧性水泥基复合材料基本力学性能及应变硬化过程理论分析[D]. 大连: 大连理工大学, 2010.

[8] Han TS, Feenstra PH, Billington S L. 循环加载下高延性纤维增强水泥基复合材料构件的模拟[J]. ACI 结构杂志，2003（6）：749。