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DOI：10．3969／j．issn．1672-4011．2013．03．028纤维编织网增强细粒混凝土的抗弯计算理论分析陈丹丹(中交天津港湾工程研究院有限公司，天津300222)摘要：纤雏编织网增强混凝土(TRC)结构是一种新型的结构形式，具有承载能力高、韧性强，构件尺寸小、重量轻，防磁化、施工简单等多种优点，以细粒混凝土作为纤维编织网增强混凝土基体，能增强混凝土与纤维网的粘结性，提高纤维编织网混凝土的性能。本文在介绍纤维鳊织网增强混凝土的基础上，对纤维编织网增强细粒混凝土的抗弯计算理论进行了分析，并采用四点弯曲试验，利用微机控制液压伺服试验机，通过分级加栽，验证了公式的合理性。关键词：混凝土；TBC；抗弯计算中圈分类号：TIJ528．1文献标志码：B文章编号：1672—4011(2013)03—0058—020前言钢筋混凝土(RC，ReinforcedConcrete)是当前最主要的建筑材料之一，是指通过在混凝土中加入钢筋与之共同工作来改善混凝土力学性质的一种组合材料，为加劲混凝土最常见的一种形式。钢筋混凝土结构是目前土木工程建造中应用最多的一种结构形式，在钢筋混凝土结构中，水泥水化时生成的强碱介质会在处于其中的钢筋表面形成钝化膜，抑制钢筋腐蚀，但如果混凝土密实性不足或保护层太薄遭到破坏，混凝土中的添加剂、空气中的二氧化碳以及一些外界因素都会破坏钝化膜，将钢筋置于侵蚀性环境中，随着时间的增加，钝化膜进一步被破坏，最终会导致钢筋锈蚀，引起体积膨胀对混凝土产生压力，从而使保护层出现大面积疏松、脱落，混凝土受力性能被破坏，材料耐久性大大降低，致使钢筋混凝土结构被破坏，造成较大的经济损失。另外，由于钢筋混凝土结构不能屏蔽磁场，会给建筑内，尤其是医院内的工作带来麻烦。随着纤维这一新型建筑材料的应用和发展，经过不断的研究，人们发现将纤维编织网铺设在特质混凝土内构成的纤维编织网增强混凝土，在抗弯、抗剪、抗压以及防腐蚀、防磁性等方面都有更好的性能。1纤维编织网增强混凝土纤维编织网(Textile)是将连续纤维粗纱编织成的平面或立体的网状纺织物，土木工程中常用的纤维有碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酸胺纤维等高抗拉强度的纤维及聚乙烯醇、聚乙烯等高韧性的纤维。纤维编织网主要采用的是高抗拉强度的纤维，所形成的编织网主要有碳纤维网、玻璃纤维网和芳族聚酸胺纤维网。纤维编织网增强混凝土(TIC，TextileReiTforeedCon-c陀)是一种结合了短切纤维增强混凝土与普通钢筋混凝土作者筒介：陈丹丹(1980一)，女，甘肃兰州人，工程师，硕士研究生研究方向：结构工程专业。二者优点的复合材料，其所使用的碳纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维等纤维材料具有耐腐蚀性，不需要再对材料进行化学防腐蚀处理，同时纤维在拉力作用下变形和外力呈线性关系，使其具有高抗拉强度，加上纤维的轻质、防磁性等优点，使其在轻质薄壁结构，有防磁化要求的结构，楼板、屋面板等承载构件，顶棚、内外墙板等装饰构建，免拆卸模板及腐蚀等恶劣环境下的结构修复、防锈加固和防治混凝土开裂等领域都有着十分广阔的应用前景。2纤维编织网增强细粒混凝土抗弯计算纤维编织网增强混凝土结构通过纤维网与混凝土的协同工作，在实际应用中有着抗腐蚀、防磁化、重量轻以及易于施工等多个优势，而纤维网能够与混凝土协同工作主要取决于其粘结性能。为了能使混凝土顺利渗透纤维编织网，形成良好的粘结，就需要对混凝土的性能作一定的要求。细粒混凝土是指最大骨料粒径不超过4mm的混凝土，它具有高流动性、自密实性、抗离析性等优良的工作特性，作为纤维编织网增强混凝土的基体混凝土能够增强纤维网与混凝土的粘结性能，减少施工难度。纤维编织网结构具有着优异的力学性能和使用性能，但由于纤维编织网是一种不同于钢筋的各向异性材料，经纬两向纤维束由很多只能受拉不能受压的纤维单丝组成，且表面粗糙没有固定截面指标，给其力学性能的测定带来了一定的困难，因此需要建立一定的计算公式和模型对纤维编织网增强细粒混凝土的受弯能力进行分析，以能使这一材料更好地应用于实践中。2．1材料属性在对纤维编织网增强细粒混凝土的抗弯性能进行分析时，试验所采用的纤维编织网及混凝土材料都须严格按照相关的规范选择，不同的规范对纤维束的测量长度有不同的规定，通常纤维束越长，其包含的缺陷也就越多，但不论是按照何种规范进行选择，同一试验中纤维束的长度须保持相同，以避免由于测量长度带来的误差。假定截面的变形符合乎截面假定、截面曲率在纯弯段不变、纤维编织网和细粒混凝土之间以及梁沿轴方向没有相对的滑移和位移、在整个跨度上曲率和弯矩一一对应，同时不考虑非受力纤维的影响。(1)混凝土应力一应变关系。根据图1所示混凝土抗压本构模型，利用混凝土应力一应变曲线方程，可以将混凝土单向受拉的应力一应变关系简化为线性关系：Z=E·占(1)(2)纤维编织网应力一应变关系。由于纤维编织网主要是由很多经纬两向的纤维丝构成的，在将纤维束埋入混凝土中时，如果细粒混凝土不能完全地进入到纤维束内，形成良好的粘结性，就会对材料的整体性能造成影响，在受拉时，纤维丝不能协同受力，会分批断裂，给纤维编织 网增强混凝土的受力分析结果带来误差，甚至会导致结果不准确，因此在将纤维束埋入细粒混凝土前，应先对其进行一定的处理，一般通过采用环氧树脂对其进行浸渍，能较好地保证纤维丝协同受力。经过处理后，纤维束的力学性能如图2所示。圈1混凝土抗压本构圈20e纤维柬应力一应变曲线通过对纤维编织网增强混凝土单向构件的试验，对纤维束的应力一应变关系进行简化，同时根据混凝土约束作用和粘聚力对荷载的影响，可以得出参数m、k与纤维拉应变％及其对应的应力仃打关系：』m-％一糕勖㈣I||}：蛐j8杠一8f，2．2非线性计算方法在计算纤维编织网增强混凝土结构的非线性特点时，采用Newton—Raphson方程进行求解，其计算模型的迭代公式为：[舛]。i2P—F以+1仉+△。嘶(3)(4)童越嚣010203040506070荷藏心荷载，kN图5粘结一层纤雏混凝土圈6粘结二层歼雏混凝土梁挠度粱挠度在模拟计算中，需注意材料本构关系的选取、收敛准则、平衡迭代次数、单元数量等都会对计算精度造成一定的影响，因此需具体的计算要求，对以上要素进行合理的选择，以保证计算精度。3结语纤维编织网增强混凝土是一种新型的高性能纤维增强水泥基复合材料，其所使用的碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酸胺纤维等在酸、碳化潮湿、海水等腐蚀恶劣环境中都有着较为优异的力学性能，在相同环境中与钢筋相比较有着显著优势，加之其所具有的轻质、高抗拉强度、强耐腐蚀性和防磁性，能有效地保证结构的耐久性，在多个领域内都有着良好的应用前景。而由于纤维编织网不同于钢筋，由于多种因素的影响，其受力性能分析较为复杂和困难，因此，需要一定的计算理论来对其受弯能力进行分析，以使这一材料能更好地应用在实践中。本文利用平面假定，按照非线性分析理论对纤维编织增强细粒混凝土的抗弯计算理论进行了分析，并通过相关的试验，验证了公式的合理性。[ID：000373]式中，[KtT]为正切矩阵；i为当前平衡迭代步；r参考文献为作用在结构上的荷载；翠为单元的内部荷载。在利用迭代公式进行计算求解时，每次求解前，都应先估算荷载残差矢量，利用非平衡荷载进行先行求解，同时应注意检查收敛性，如不能满足设置的收敛准则，则须对其进行重新的估计，修改刚度矩阵，获得新解，直到满足收敛准则。收敛准则采用二范数来约束收敛，允许误差的取值应根据计算的具体要求进行，一般情况下，允许误差的范围越大，计算的结果越不准确，但收敛会更容易。2．3算例采用截面尺寸为140×180×l700(mm)，主筋为2中12，箍筋均为硝，间距为6cm的试验梁，采用四点弯曲试验，使用1000kN微机控制液压伺服试验机，分级加载控制进行模拟计算，将数值计算结果与试验结果进行对比，得出对比曲线：荷羲，kN0lO加3040506070荷t，kNOlO203040506070圈3粘结一层纤雏混凝土粱上缘压应变豳4粘结二层纤维混凝土粱上缘压应变[1]田稳苓，孙雪峰．纤维编织网增强混凝土耐久性机理和测试方法[J]．华北水利水电学院学报，2012，(6)：89—92．[2]曾令宏，尚守平，万剑平，等．复合砂浆钢筋网加固钢筋混凝土梁静力和疲劳性能试验研究[J]．建筑结构学报，2008，29(1)：83—89[3]尹世平，徐世娘．纤维编织网增强混凝土的拉伸力学模型[J]．复合材料学报，2012，(5)：222—229．[4]PapanicolaouCG，TriantllouTC，PapathanasiouM，eta1．Textile—reinforcedmolar(TRM)VePSU8FRP聃strensthenin8materialofURMwalls：out—of—planecyclicloading[J]．MaterialsandStruc—tures，2008，4l(1)：143—157．[5]徐世娘，阎轶群．低配网率纤维编织网增强混凝土轴拉力学性能[J]．复合材料学报，2011，(5)：206—213．[6]PapanicolaouCG，TriantafillouTC，Karl08K，eta1．Textile—rein·forcedmortar(TRM)vePsu8FRP酗strengtheningmaterialdURMwalls：in—planecyclicloading[J]．MaterStnlct．2007，40(10)：1郇1—1097．[7]李志华，赵勇，尚世仲．钢筋混凝土受弯构件裂缝宽度计算方法的比较[J]．四川建筑科学研究。2007，33(2)：11—14．[8]BscbeA，JesseF，OrtleppR，eta1．Textile—mlnfomedconc∞vteforflexuralstrengtheningdRC—structuraspan：Swactundbehavioranddesignmodel[CD]．DesignandApplicationsofTextileRein-forcedConcrete，SP一251．Farmin@onHills：AmericanConcreteInstitute。2008：19—40．