纤维复合材筋混凝土梁抗冲击性能的试验与数值仿真研究

【摘要】：纤维增强复合材筋(Fiber reinforced polymer Bar)具有质轻高强且耐腐蚀等优点,可替代海洋工程中钢筋混凝土结构中的钢筋,解决混凝土构件中钢筋锈蚀的问题,提高混凝土构件的耐久性。近年来,船舶撞击桥梁的事故时有发生,撞击事故会降低桥梁的耐久度、使用寿命以及安全性。目前,对于FRP筋混凝土梁的研究主要基于试验,如FRP筋混凝土构件的静态力学性能试验以及粘结滑移试验等;在探讨FRP筋混凝土构件的动态响应方面的研究较少。但是,试验研究存在一定的局限性,难以反映混凝土材料的随机性,不能全面地揭示材料内部损伤和破坏过程。而数值模拟可以对混凝土材料各个测点的应力、位移等数据进行分析,对试验结果进行补充;也可以减少试验研究中外界干扰因素的影响。本文结合试验与数值模拟两种方法,对FRP筋混凝土梁动静、态力学性能进行了研究,本文的主要内容包括:(1)为了探究FRP筋混凝土梁在不同加载速度下的抗弯性能,本文利用静载三点弯曲试验机和落锤冲击试验机对FRP筋混凝土梁进行准静态弯曲试验以及动态冲击试验。静态三点弯试验过程中记录试件的裂缝发展过程和破坏特征,对比FRP筋试件的荷载-挠度曲线后,分析了配筋率对试件抗弯性能的影响。动态冲击试验中采集了FRP筋试件的荷载-时程曲线、挠度-时程曲线,并通过高速摄像机记录了试件的破坏过程,分析了配筋率和冲击速度对试件的抗冲击性能的影响。(2)利用DIC对试件表面的位移场分析后,将分布在梁整体的惯性力简化为一个作用在梁跨中的集中力。对冲击力位移曲线、惯性力位移曲线和承载力位移曲线积分,计算得到输入总能量、试件动能和试件破坏耗能,分析了梁中能量的转换和耗散过程。(3)利用内聚力单元(cohesive element)模型来模拟FRP筋与混凝土之间的粘结滑移。在此基础上采用FRP筋混凝土梁三维有限元模型模拟了混凝土梁在冲击荷载下的力学性能,与试验中的破坏形态、力位移曲线以及能量等方面对比后验证了模型的有效性。(4)基于本文建立的三维有限元模型进一步探讨了不同冲击速度对于FRP筋混凝土梁抗冲击性能与破坏形态的影响,从能量吸收与耗散角度揭示FRP筋混凝土的冲击响应过程。