玄武岩纤维筋连续配筋复合式路面荷载应力分析
玄武岩纤维筋水泥混凝土路面光纤观测分析
且 可 弯 曲的套 管套住 ，接头处 与 筋材连 接 牢 固 ，以
免光 纤折 断 。筋材 生产 完成后 ，两端 的 引出光 纤 的 接 头 采 用通 用 的光纤 Ｆ ／ Ｐ ＣＡ Ｃ调 线 头 。运 抵 施 工 现 场 后 ，将缠 绕成 环状 的筋材展 开 。展 开过 程 中有 可 能 由于筋材 的扭 转导 致 引 出的光纤 折 断 ，所 以在展
变 量得 分 。
标 准化 处理 ，把 分类 变量 以连 续变 量 的形 式通 过 公 式加 以表示 ，弥 补 了定性 分析 的缺 点 ，进 而利 于 驾 驶 员心 理分 析 的定性 研究 。 对 特殊 路段 进行 定 点速 度测量 后 ，以 囝内外 通 用 的８ ％位 速度 来确 定 限速 值 ，通 过 问卷 调查 ，结 ５ 合 因子综 合得 分 的情 况 ，对 ８ ％速 度进 行 相应 的修 ５ 正 。从 而 确定合 理 的 限速值 ，既保持 了数据 的科 学
Ｗ ＥＩＷ ｅ — ｉ ｎ ｘ ｎ ，Ｗ ＥＮ Ｚｈｅ －ｆ ｉ，ＮＩ Ｚｈ －ｇ ｎ 。 ｎ ｅ Ｅ ｉ ａ ｇ （ ．ｒｎ ｐ ￣ Ｂ ｒａ ｆ ａ ｈ ａＣｏ ｎｙ Ｘｕ ｎ ｕ ７ ２ ０ Ｃｈｎ ； ．ｒｎ ｐ ￣ Ｂ ｒａ ｆ ｕ ｎ ｉｇＣｏ ｎｙ Ｌ ａ ｐｎ ６ ２ ０ Ｃｈｎ ； １Ｔ ａ ｓ ｏ ｕ ｅｕ ｏ ｎ ｕ ｕ ｔ， ａ ｈ ａ０ ５ ０ ， ｉａ ２Ｔ ａ ｓ ｏ ｕｅ ｕ ｏ ａ ｐｎ ｕ ｔ， ｕ ｎ ｉｇ０ ８ ０ ， ｉａ Ｘｕ Ｌ
钢玄武岩纤维复合筋拉压力学性能试验研究
第４４卷第４期２０１４年７月东南大学学报（自然科学版）ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＳＯＵＴＨＥＡＳＴＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）Ｖｏｌ．４４Ｎｏ．４Ｊｕｌｙ２０１４ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－０５０５．２０１４．０４．０２２钢玄武岩纤维复合筋拉压力学性能试验研究肖同亮 邱洪兴 孙兰香（东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室，南京２１００９６）摘要：为了研究钢玄武岩纤维复合筋的基本力学特性，开展了不同纤维含量钢玄武岩纤维复合筋的拉伸试验、压缩试验及其机理研究．试验结果表明：纤维含量对筋材强屈比有较大影响，内芯钢筋在屈服前能够较好地与外包纤维共同工作，屈服后与外包纤维产生局部滑移，出现应变滞后现象，卸载后存在内芯钢筋受压与纤维受拉的自平衡现象，且随着塑性变形的增大，卸载刚度逐渐减小；受压荷载主要由内芯钢筋承担，纤维胶层对受压影响较小．针对钢玄武岩纤维复合筋拉压不对称的特性，提出了钢玄武岩纤维复合筋骨架曲线与滞回规则，并给出了卸载模量退化系数的建议值，为该类筋材在混凝土结构中的设计及有限元数值模拟提供了理论依据．关键词：钢玄武岩纤维复合筋；材性试验；二次刚度；滞回规则中图分类号：ＴＵ３７５畅３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００１－０５０５（２０１４）０４－０８０５－０６Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌａｎｄｔｈｅｏｒｙｓｔｕｄｙｏｎｔｅｎｓｉｌｅａｎｄｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｓｔｅｅｌ－ｂａｓａｌｔｆｉｂｅｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅｂａｒｓＸｉａｏＴｏｎｇｌｉａｎｇ ＱｉｕＨｏｎｇｘｉｎｇ ＳｕｎＬａｎｘｉａｎｇ（ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＣｏｎｃｒｅｔｅａｎｄＰｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄＣｏｎｃｒｅｔｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓｏｆＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，ＳｏｕｔｈｅａｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００９６，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｂａｓｉｃｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｓｔｅｅｌ－ｂａｓａｌｔｆｉｂｅｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅｂａｒｓ（ＳＢＦＣＢｓ），ａｓｅｒｉｅｓｏｆｔｅｎｓｉｏｎａｎｄｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｔｅｓｔｓｏｆＳＢＦＣＢｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆｉｂｅｒｃｏｎｔｅｎｔｓａｎｄｔｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｒｅｓｅａｒｃｈａｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ．Ｔｈｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｆｉｂｅｒｃｏｎｔｅｎｔｈａｓａｇｒｅａｔｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｔｈｅｒａｔｉｏｏｆｔｈｅｕｌｔｉｍａｔｅｓｔｒｅｎｇｔｈｔｏｔｈｅｙｉｅｌｄｓｔｒｅｎｇｔｈ．Ｂｅｆｏｒｅｙｉｅｌｄｉｎｇ，ｔｈｅｉｎｎｅｒｓｔｅｅｌｃａｎｗｏｒｋｔｏｇｅｔｈｅｒｗｅｌｌｗｉｔｈｔｈｅｏｕｔｓｉｄｅｆｉｂｅｒ．Ａｆｔｅｒｙｉｅｌｄｉｎｇ，ｔｈｅｐａｒｔｉａｌｓｌｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｉｎｎｅｒｓｔｅｅｌａｎｄｔｈｅｏｕｔｓｉｄｅｆｉｂｅｒｉｎｄｕｃｅｓｓｔｒａｉｎｄｅｌａｙｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ．Ａｆｔｅｒｕｎｌｏａｄｉｎｇ，ｔｈｅｓｅｌｆ－ｂａｌａｎｃｉｎｇｐｈｅ－ｎｏｍｅｎｏｎａｃｃｏｍｐａｎｉｅｄｂｙｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄｓｔｅｅｌａｎｄｓｔｒｅｔｃｈｅｄｆｉｂｅｒｏｃｃｕｒｓ．Ｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｐｌａｓｔｉｃｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｔｈｅｕｎｌｏａｄｉｎｇｓｔｉｆｆｎｅｓｓｄｅｃｒｅａｓｅｓｇｒａｄｕａｌｌｙ．Ｔｈｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｌｏａｄｉｓｍａｉｎｌｙｓｕｓｔａｉｎｅｄｂｙｔｈｅｓｔｅｅｌｂａｒｓ，ｗｈｉｌｅｔｈｅｆｉｂｅｒｈａｓｌｉｔｔｌｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｔｈｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ．Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅａｓｙｍｍｅｔｒｙｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｂｅｔｗｅｅｎｔｅｎｓｉｏｎａｎｄｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ，ｔｈｅｓｋｅｌｅｔｏｎｃｕｒｖｅａｎｄｔｈｅｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓｒｕｌｅｏｆｔｈｅＳＢＦＣＢｓａｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄ，ａｎｄｔｈｅｖａｌｕｅｓｏｆｔｈｅｕｎｌｏａｄｍｏｄｕｌｕｓｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔａｒｅｒｅｃｏｍ－ｍｅｎｄｅｄ，ｐｒｏｖｉｄｉｎｇｔｈｅｔｈｅｏｒｉｅｓｆｏｒｔｈｅｕｓｅｏｆＳＢＦＣＢｓｉｎｃｏｎｃｒｅｔｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｔｅｅｌ－ｂａｓａｌｔｆｉｂｅｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅｂａｒ；ｍａｔｅｒｉａｌｍｅｃｈａｎｉｃａｌｔｅｓｔ；ｐｏｓｔ－ｙｉｅｌｄｓｔｉｆｆｎｅｓｓ；ｈｙｓｔｅｒｅｔ－ｉｃｂｅｈａｖｉｏｒ收稿日期：２０１３－１２－０６． 作者简介：肖同亮（１９８２—），男，博士生，讲师；邱洪兴（联系人），男，博士，教授，博士生导师，ｑｉｕｈｘ＠ｓｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ．基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１０７８０７７）、“十二五”国家科技支撑计划资助项目（２０１２ＢＡＪ１４Ｂ０２）．引用本文：肖同亮，邱洪兴，孙兰香．钢玄武岩纤维复合筋拉压力学性能试验研究［Ｊ］．东南大学学报：自然科学版，２０１４，４４（４）：８０５８１０．［ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－０５０５．２０１４．０４．０２２］ 钢筋混凝土结构的非线性地震反应分析是结构抗震领域中的一个重要课题，其中最为基础的部分是确定钢筋和混凝土材料在低周反复荷载下的本构关系．钢纤维复合筋（ｓｔｅｅｌｆｉｂｅｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅｂａｒ，ＳＦＣＢ）是一种在钢筋外面包裹ＦＲＰ纵向纤维的新型增强材料，具有可设计二次刚度等特点［１］．ｈｔｔｐ：／／ｊｏｕｒｎａｌ．ｓｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎＦＲＰ防腐性能优异但易发生脆性断裂，钢筋易腐蚀但具有良好的延性和耗能能力，２种材料的优缺点互补，组成防腐性能好且力学性能优异的新型复合筋材．ＳＦＣＢ在材料层次二次刚度的可设计性使其增强混凝土构件的极限承载力较屈服荷载也有一定幅度的提高，从而保证所设计的结构是损伤可控的．作为一种新型筋材，复合筋在土木工程的各个领域中具有广阔的应用前景．罗云标［２］探索出连续纤维与钢筋复合的关键工艺，在单调拉伸和往复拉伸试验的基础上，通过假定钢筋和纤维具有相同变形，依据复合法则给出了ＳＦＣＢ在往复荷载下的应力应变关系；孙泽阳等［３］基于拉拔试件对ＳＦＣＢ与混凝土的黏结性能开展了基础性研究．复合筋在反复荷载作用下的本构关系对其增强混凝土结构的滞回特性有重要影响．文献［２］采用钢筋和纤维具有相同变形的假定存在局限性，理论模型也没有考虑复合筋纤维断裂后的力学性能，拉压力学性能差异是否显著等都没有得到试验验证．为了揭示其抗震性能和破坏机理，对复合筋拉伸与压缩下的基本力学性能进行研究十分必要．为此，本文开展了钢玄武岩纤维复合筋的单调拉伸、重复拉伸和压缩试验，并进行了相关机理分析．１ 试验本文试验中的复合筋内芯钢筋采用直径为１２ｍｍ的ＨＲＢ４００螺纹钢筋，外包覆层采用江苏绿材谷新材料科技发展有限公司提供的ＣＢＦ１３－２４００ｔｅｘ玄武岩纤维．共制作了４种不同规格的纤维复合筋．１畅１ 拉伸试验１畅１．１ 试验概况筋材拉伸试验参考文献［４］方法，在万能试验机上进行．针对复合筋拉伸试验特点，设计了单向和重复拉伸试验连接装置，采用引伸计和应变片分别测量标距范围内的平均应变和局部应变．由于复合筋表层纤维是一种各向异性材料，横向强度与纵向强度相差较大，为了便于端部夹持且防止套筒与筋材表面纤维间产生滑移，在筋材两端采用特制长套筒黏结式锚具（见图１）．应变数据的变化能够从微观层面上反映复合筋的力学特性并揭示破坏机理，通过在试件上的内芯钢筋和外包纤维上粘贴对称布置的应变片以及使用引伸计等方法，得到试件单调拉伸和重复拉伸下的荷载钢筋／纤维应变曲线．拉伸试件编号、材料构成及尺寸等参数见表１．图１ 复合筋拉伸试验装置表１ 不同型号复合筋物理参数筋材型号直径／ｍｍ试件长度／ｍｍ纤维束数Ｓ１２１２畅００３５０Ｓ１２Ｂ２８１５畅６７７１５２８Ｓ１２Ｂ４３１６畅４９７１０４３Ｓ１２Ｂ９７１９畅１７７２５９７Ｓ１２Ｂ１４０２１畅０６７２０１４０ 注：Ｓ１２表示ＨＲＢ４００钢筋直径为１２ｍｍ；Ｂ２８表示纤维束数为２８．１畅１畅２ 加载方案单调拉伸时，以０畅５ｍｍ／ｍｉｎ的加载速度对试件进行加载，直至外包覆层纤维全部断裂，再以２ｍｍ／ｍｉｎ的加载速率将内芯钢筋拉断．重复拉伸试验时，以０畅５ｍｍ／ｍｉｎ的加载速度对试件进行加载，以２ｍｍ为加载等级递增加载，将复合筋夹持段位移加至４ｍｍ后卸载至荷载为０，然后继续加载位移至６ｍｍ时卸载．如此重复，以２ｍｍ递增加载至１４ｍｍ后卸载，最后以２ｍｍ／ｍｉｎ的加载速度将复合筋外层纤维拉断．１畅１畅３ 试验结果由于复合筋包含２种材料，且破坏前纤维并非同时断裂，采用荷载位移／应变曲线表示筋材的宏观力学特性更合理，如需要可根据筋材直径换算得到筋材本构关系．不同复合筋单调拉伸荷载位移曲线比较见图２．图中曲线上的第１个转折点对应内芯钢筋的屈服状态，峰值点对应纤维开始连续集中断裂转折点，此时荷载急剧下降至内芯钢筋屈服图２ 复合筋单调拉伸荷载位移曲线６０８东南大学学报（自然科学版） 第４４卷ｈｔｔｐ：／／ｊｏｕｒｎａｌ．ｓｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ水平．表２给出了不同型号筋材的拉伸力学性能，不难看出纤维含量对筋材强屈比有较大影响．破坏形态如图３所示，以外包纤维连续集中断裂承载力大幅下降为破坏标志．表２ 不同型号筋材拉伸力学性能比较筋材型号屈服荷载／ｋＮ屈服应变／１０－３极限荷载／ｋＮ极限应变／１０－３强屈比Ｓ１２４９畅７４２畅２００６５畅５６１畅３１８Ｓ１２Ｂ２８５５畅０６２畅５７３７３畅３５１９畅６７４１畅３３２Ｓ１２Ｂ４３５５畅１７２畅３５０１０９畅５３２４畅１７８１畅９８５Ｓ１２Ｂ９７６８畅５５２畅５５２１８８畅７５２６畅２５５２畅７５３Ｓ１２Ｂ１４０７９畅６１２畅６１９２６９畅４２１８畅０６９３畅３８４图３ 复合筋拉伸破坏形态 图４为利用应变片测得的Ｓ１２Ｂ４３型复合筋钢筋与纤维在拉伸荷载下的应变比较．由图可知，内芯钢筋在受拉屈服前与外包纤维黏结较好，受制作工艺限制，纤维在钢筋屈服前未充分张紧，钢筋应变稍微大于纤维应变；内芯钢筋屈服后，钢筋的塑性变形较大，导致结合面胶层逐步破坏，外包纤维与内芯钢筋间产生局部滑移，反映在应变上即为纤维应变大于钢筋应变，出现钢筋的应变滞后现象．图４ Ｓ１２Ｂ４３型复合筋单调拉伸的荷载纤维／钢筋应变曲线图５为Ｓ１２Ｂ４３型复合筋在重复拉伸下的荷载位移曲线．由图可知，在内芯钢筋屈服前后卸载，卸载曲线斜率与初始加载曲线的斜率大致相等，图５ Ｓ１２Ｂ４３型复合筋重复拉伸的荷载位移曲线再加载曲线与卸载曲线基本重合，且通过前次卸载点，抗拉承载力没有降低．随着塑性变形的发展，卸载曲线呈现出一定的非线性特征．在卸载与再加载循环过程中，复合筋卸载曲线与再加载曲线不再重合，卸载刚度与再加载刚度呈现出先大后小变化规律，形成一个小的滞回环，滞回环的面积表示复合筋中纤维胶层与钢筋之间相对滑移产生的内部耗能大小．重复荷载作用下，纤维应变走势总体与荷载位移曲线一致，当荷载卸到０时，纤维内存在拉应变（见图６）；内芯钢筋在屈服前呈现线弹性工作状态，屈服后卸载情形下应变出现了负值，说明出现了内芯钢筋受压而外包纤维受拉的自平衡现象，但卸载曲线和再加载曲线基本与初始刚度曲线保持平行（见图７）．重复的加卸载加剧了纤维胶层的开裂及其与内芯钢筋的滑移，在拉伸试验后期钢筋应变有较大增加，塑性变形明显导致应变片破坏．图６ Ｓ１２Ｂ４３型复合筋重复拉伸荷载纤维应变曲线１畅２ 压缩试验制作了包括钢玄武岩纤维复合筋、钢筋与纯玄武岩纤维筋在内的６种共１８个对比受压试件，试件制作参考材料力学受压试件标准，试件长度与直径的比值控制在１～３范围内．压缩试验装置见图８（ａ），参考文献［５］的方法在压缩装置四周设７０８第４期肖同亮，等：钢玄武岩纤维复合筋拉压力学性能试验研究ｈｔｔｐ：／／ｊｏｕｒｎａｌ．ｓｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ图７ Ｓ１２Ｂ４３型复合筋重复拉伸荷载钢筋应变曲线置ＬＶＤＴ传感器，以精确测量压缩变形．复合筋受压破坏始于外包纤维胶层的开裂与纤维的分离．复合筋压缩破坏形态如图８（ｂ）所示．（ａ）压缩试验装置（ｂ）试件破坏形态图８ 压缩试验装置与试件破坏形态压缩试件型号与力学性能参数见表３．表３ 压缩试件型号与力学性能参数筋材型号直径／ｍｍ试件高度／ｍｍ屈服荷载／ｋＮ屈服位移／ｍｍＳ１２１２畅００２５畅０３７畅１４０畅２７５Ｂ４７１０畅９０２６畅７１４畅０８倡０畅２７１Ｓ１２Ｂ２８１５畅６７３２畅６４３畅５９０畅２８９Ｓ１２Ｂ４３１６畅４９３３畅５４６畅１００畅３８９Ｓ１２Ｂ９７１９畅１７３１畅６５６畅２３０畅３４５Ｓ１２Ｂ１４０２１畅０６３２畅７６２畅２８０畅４０７ 注：倡表示筋材已破坏． 各压缩试件的荷载位移曲线如图９所示．由图９（ｂ）可知，纯纤维的压缩破坏为脆性破坏，且抗压能力较弱，这也证实了玄武岩纤维是一种抗拉性能优异但抗压性能较差的拉压异性材料．从图９（ｃ）中复合筋压缩试验荷载位移曲线不难看出，内芯钢筋相同时，随着外包纤维束的增加，在弹性受压阶段相差不大，钢筋屈服前纤维参与抗压较为明显，使得受压屈服荷载略有增加．钢筋屈服后，随着塑性变形的增大，纤维胶层由于钢筋横向膨胀而开裂，纤维失去抗压能力，基本由内（ａ）钢筋（ｂ）纯纤维Ｂ４７（ｃ）纤维复合筋图９ 压缩荷载位移曲线芯钢筋承担受压荷载，因此在后期各复合筋抗压能力趋于一致，可见不考虑外包纤维的受压作用这一假定是可行的．２ 理论分析国内外对钢筋的本构关系已有大量研究，目前被广泛采用的钢筋本构关系模型包括理想弹塑性模型、双线性硬化模型等．这些模型形式简单、计算方便，且能够较好地模拟钢筋的力学性能．文献［６］结合Ｈｏｅｈｌｅｒ模型提出了一种钢筋动态循环本构模型，文献［７］基于钢筋拉伸与压缩试验提出一种宏观的预测钢筋本构关系的理论模型；在此基础８０８东南大学学报（自然科学版） 第４４卷ｈｔｔｐ：／／ｊｏｕｒｎａｌ．ｓｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ上，许多学者提出了不同荷载条件下的钢筋本构关系，并讨论了箍筋间距对钢筋屈曲问题的影响［８１１］．然而，对钢纤维复合筋的力学理论模型目前研究较少，文献［２］假定钢筋和纤维应变相同，忽略了胶层的影响，对纤维受压力学性能也没有给出明确定义，且理论模型没有考虑复合筋纤维断裂后力学性能等．本文旨在基于试验现象与破坏机理分析，提出关于复合筋的简单实用的本构关系及理论模型．２畅１ 骨架曲线拉伸与压缩试验结果表明，复合筋为拉压异性材料，拉伸时可充分考虑纤维的增强作用，压缩时为了简化起见，可忽略受压纤维和胶层的抗压贡献，仅考虑受压内芯钢筋的作用．在反复荷载作用下，恢复力模型骨架曲线见图１０．图中，线段１～线段８为复合筋加载、卸载、反向再加载的路径顺序．在弹性拉伸加载、卸载阶段（线段１），曲线斜率为Ｅ１Ａ；在非弹性拉伸加载阶段（线段２），曲线斜率为Ｅ２Ａ；在弹性压缩加载阶段，曲线斜率Ｅ′１Ａ＝ＥｓＡｓ，压缩屈服后荷载Ｐ′ｓｆ＝ｆ′ｙＡｓ保持不变，其中，Ｅ１Ａ＝ＥｓＡｓ＋ＥｆＡｆ，Ｅ２Ａ＝ＥｆＡｆ，其中，Ｅ１，Ｅ２，Ｅ′１分别复合筋在屈服前、后和受压屈服前的弹性模量，Ａ为复合筋横截面积，Ｅｓ为钢筋弹性模量，Ｅｆ为纤维弹性模量，Ａｓ为钢筋面积，Ａｆ为纤维面积，ｆ′ｙ为钢筋受压屈服强度．ＳＦＣＢ拉伸荷载应变关系表达式为 Ｐｓｆ＝（ＥｓＡｓ＋ＥｆＡｆ）εｓｆ ０≤εｓｆ＜εｓｆｙｆｙＡｓ＋ＥｆＡｆεｓｆ εｓｆｙ≤εｓｆ＜εｓｆｕｆｙＡｓ εｓｆ≥εｓｆｕ（１）压缩荷载应变关系表达式为Ｐ′ｓｆ＝ＥｓＡｓε′ｓｆ ０≤ε′ｓｆ＜ε′ｓｆｙｆ′ｙＡｓ ε′ｓｆｙ≤ε′ｓｆ（２）式中，εｓｆ为复合筋受拉应变；εｓｆｙ为复合筋内芯钢筋受拉屈服时对应的纤维应变；εｓｆｕ为复合筋极限应变，对应外包纤维拉断时应变；ε′ｓｆ为复合筋受压应变；ε′ｓｆｙ为内芯钢筋受压屈服时对应的复合筋应变．图１０ 复合筋拉压荷载应变恢复力模型２畅２ 滞回规则在宏观描述筋材力学性能时，可将卸载刚度定义为开始卸载点到卸载至荷载为零点的连线刚度．试验中发现，随着塑性变形的增大，卸载刚度逐渐减小．进入塑性阶段后，正向非弹性卸载阶段（线段３）的曲线斜率为ＥｕＡ，卸载模量为Ｅｕ＝Ｅ１１＋γεｐ／εｓｆｙ（３）式中，εｐ为各循环加载的塑性应变（εｐ＝εｓｆ－εｓｆｙ）；γ为模量退化系数，结合本文重复拉伸试验，建议此处γ＝０畅０６２．反向非弹性卸载模量与反向初始加载模量相等，即Ｅ′ｕ＝Ｅｓ（见图１０中线段６）．对于非弹性反向加载曲线路径，当反向加载未超过屈服荷载时，反向加载路径由卸载后应变轴上的相应点指向反向骨架线的屈服点；当反向加载超过骨架线的屈服点时，反向加载则由卸载后应变轴上相应点指向反向骨架线上曾经达到的最大应变点（见图１０中线段７和线段８）．３ 结论１）钢玄武岩纤维复合筋是一种拉压力学性能不对称的复合筋材，纤维比例对筋材受拉强屈比有较大影响．内芯钢筋受拉屈服前与外包纤维黏结较好，能够共同工作，二者不存在相对滑移；内芯钢筋屈服后结合面胶层逐步破坏，外包纤维与内芯钢筋间产生局部滑移，出现钢筋的应变滞后现象．重复拉伸加卸载下出现内芯钢筋受压而外包纤维受拉的自平衡现象，随着塑性变形的增大，卸载刚度逐渐减小．２）压缩试验结果表明，在钢筋屈服前，随着外包纤维比例的增加，纤维整体抗压能力有所增强，钢筋屈服后纤维逐渐失去抗压能力，受压荷载主要由内芯钢筋承担．因此，采用不考虑外包纤维受压作用的理论模型是可行的．３）针对复合筋拉压不对称特性并结合理论分析，提出了简单实用的骨架曲线与滞回规则，并给出了卸载模量退化系数建议值，为该类筋材在混凝土结构中的设计与有限元数值模拟提供了理论依据．参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）［１］吴刚，罗云标，吴智深，等．钢连续纤维复合筋（ＳＦ－ＣＢ）力学性能试验研究与理论分析［Ｊ］．土木工程学报，２０１０，４３（３）：５３６１．９０８第４期肖同亮，等：钢玄武岩纤维复合筋拉压力学性能试验研究ＷｕＧａｎｇ，ＬｕｏＹｕｎｂｉａｏ，ＷｕＺｈｉｓｈｅｎ，ｅｔａｌ．Ｅｘｐｅｒｉ－ｍｅｎｔａｌａｎｄｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｓｔｕｄｉｅｓｏｎｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｓｔｅｅｌ－ＦＲＰｃｏｍｐｏｓｉｔｅｂａｒｓ（ＳＦＣＢ）［Ｊ］．ＣｈｉｎａＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＪｏｕｒｎａｌ，２０１０，４３（３）：５３６１．（ｉｎＣｈｉ－ｎｅｓｅ）［２］罗云标．钢连续纤维复合筋及其增强混凝土结构性能研究［Ｄ］．南京：东南大学土木工程学院，２００８．［３］孙泽阳，吴刚，吴智深，等．钢连续纤维复合筋（ＳＦ－ＣＢ）与混凝土黏结性能试验研究［Ｊ］．工程抗震与加固改造，２００９，３１（１）：２１２７．ＳｕｎＺｅｙａｎｇ，ＷｕＧａｎｇ，ＷｕＺｈｉｓｈｅｎ，ｅｔａｌ．Ｅｘｐｅｒｉ－ｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅｂｏｎｄｂｅｈａｖｉｏｒｂｅｔｗｅｅｎｓｔｅｅｌｆｉｂｅｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅｂａｒ（ＳＦＣＢ）ａｎｄｃｏｎｃｒｅｔｅ［Ｊ］．ＥａｒｔｈｑｕａｋｅＲｅｓｉｓｔａｎｔＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＲｅｔｒｏｆｉｔｔｉｎｇ，２００９，３１（１）：２１２７．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［４］中国国家标准化管理委员会．ＧＢ／Ｔ２２８畅１—２０１０金属材料拉伸试验第１部分：室温试验方法［Ｓ］．北京：中国标准出版社，２０１１．［５］ＢａｉＹＬ，ＤａｉＪＧ，ＴｅｎｇＪＧ．Ｃｙｃｌｉｃｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｂｅ－ｈａｖｉｏｒｏｆｃｏｎｃｒｅｔｅｃｏｎｆｉｎｅｄｗｉｔｈｌａｒｇｅｒｕｐｔｕｒｅｓｔｒａｉｎＦＲＰｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓｆｏｒＣｏｎｓｔｒｕｃ－ｔｉｏｎ，２０１３，１８（１）：０４０１３０２５．［６］李敏，李宏男．建筑钢筋动态试验及本构模型［Ｊ］．土木工程学报，２０１０，４３（４）：７０７５．ＬｉＭｉｎ，ＬｉＨｏｎｇｎａｎ．Ｄｙｎａｍｉｃｔｅｓｔａｎｄｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅｍｏｄｅｌｆｏｒｒｅｉｎｆｏｒｃｉｎｇｓｔｅｅｌ［Ｊ］．ＣｈｉｎａＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒ－ｉｎｇＪｏｕｒｎａｌ，２０１０，４３（４）：７０７５．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［７］ＤｏｄｄＬＬ，Ｒｅｓｔｒｅｐｏ－ＰｏｓａｄａＪＩ．Ｍｏｄｅｌｆｏｒｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇｃｙｃｌｉｃｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｒｅｉｎｆｏｒｃｉｎｇｓｔｅｅｌ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９９５，１２１（３）：４３３４４５．［８］ＢａｌａｎＴＡ，ＦｉｌｉｐｐｏｕＦＣ，ＰｏｐｏｖＥＰ．Ｈｙｓｔｅｒｅｔｉｃｍｏｄｅｌｏｆｏｒｄｉｎａｒｙａｎｄｈｉｇｈ－ｓｔｒｅｎｇｔｈｒｅｉｎｆｏｒｃｉｎｇｓｔｅｅｌ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９９８，１２４（３）：２８８２９７．［９］ＲｏｄｒｉｇｕｅｚＭＥ，ＢｏｔｅｒｏＪＣ，ＶｉｌｌａＪ．Ｃｙｃｌｉｃｓｔｒｅｓｓ－ｓｔｒａｉｎｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｒｅｉｎｆｏｒｃｉｎｇｓｔｅｅｌｉｎｃｌｕｄｉｎｇｅｆｆｅｃｔｏｆｂｕｃｋｌｉｎｇ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９９９，１２５（６）：６０５６１２．［１０］ＨｏｅｈｌｅｒＭＳ，ＳｔａｎｔｏｎＪＦ．Ｓｉｍｐｌｅｐｈｅｎｏｍｅｎｏｌｏｇｉｃａｌｍｏｄｅｌｆｏｒｒｅｉｎｆｏｒｃｉｎｇｓｔｅｅｌｕｎｄｅｒａｒｂｉｔｒａｒｙｌｏａｄ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００６，１３２（７）：１０６１１０６９．［１１］ＫｕｎｎａｔｈＳＫ，ＨｅｏＹＡ，ＭｏｈｌｅＪＦ．Ｎｏｎｌｉｎｅａｒｕｎｉａｘｉ－ａｌｍａｔｅｒｉａｌｍｏｄｅｌｆｏｒｒｅｉｎｆｏｒｃｉｎｇｓｔｅｅｌｂａｒｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒ－ｎａｌｏｆＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００９，１３５（４）：３３５３４３．０１８东南大学学报（自然科学版） 第４４卷ｈｔｔｐ：／／ｊｏｕｒｎａｌ．ｓｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ钢玄武岩纤维复合筋拉压力学性能试验研究作者：肖同亮， 邱洪兴， 孙兰香， Xiao Tongliang， Qiu Hongxing， Sun Lanxiang作者单位：东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室,南京,210096刊名：东南大学学报（自然科学版）英文刊名：Journal of Southeast University (Natural Science Edition)年，卷(期)：2014(4)1.吴刚;罗云标;吴智深钢连续纤维复合筋(SF-CB)力学性能试验研究与理论分析 2010(03)2.罗云标钢连续纤维复合筋及其增强混凝土结构性能研究 20083.孙泽阳;吴刚;吴智深钢连续纤维复合筋(SF-CB)与混凝土黏结性能试验研究 2009(01)4.中国国家标准化管理委员会金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法 20115.Bai Y L;Dai J G;Teng J G Cyclic compressive be-havior of concrete confined with large rupture strain FRP composites 2013(01)6.李敏;李宏男建筑钢筋动态试验及本构模型 2010(04)7.Dodd L L;Restrepo-Posada J I Model for predicting cyclic behavior of reinforcing steel 1995(03)8.Balan T A;Filippou F C;Popov E P Hysteretic model of ordinary and high-strength reinforcingsteel 1998(03)9.Rodriguez M E;Botero J C;Villa J Cyclic stress-strain behavior of reinforcing steel including effect of buckling 1999(06)10.Hoehler M S;Stanton J F Simple phenomenological model for reinforcing steel under arbitrary load 2006(07)11.Kunnath S K;Heo Y A;Mohle J F Nonlinear uniaxi-al material model for reinforcing steel bars 2009(04)引用本文格式：肖同亮.邱洪兴.孙兰香.Xiao Tongliang.Qiu Hongxing.Sun Lanxiang钢玄武岩纤维复合筋拉压力学性能试验研究[期刊论文]-东南大学学报（自然科学版） 2014(4)。
玄武岩纤维布加固冻融钢筋混凝土柱性能分析
引言碱骨料反应、钢筋锈蚀及冻融破坏是混凝土耐久性的三种最主要破坏形式，尤其在使用除冰盐时更加严重[1]。
我国的西北、华北、东北地区属于寒冷区域，存在正负温交替作用，这些地区的混凝土结构如果暴露在有水环境中难以避免要遭受冻融循环作用，由此容易造成混凝土冻融损伤。
钢筋混凝土结构的冻融问题严重影响结构的使用与寿命，应当引起重视。
同时，我国的华北地震区、青藏高原地震区、四川龙门山地震带是近年来地震活动最为频繁的地区。
由此可知，冻融环境长期作用导致的既有混凝土结构耐久性损伤，势必造成既有混凝土结构抗震性能退化。
随着技术的发展，纤维增强复合材料（FRP）在结构抗震加固中得到越来越多的应用。
FRP最早于1981年，瑞典联邦实验室使用碳纤维复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer）加固桥梁结构。
FRP在建筑领域被广泛的研究与应用，其加固结构工程的效果好，施工效率高，尤其适用对腐蚀有极高要求的建筑物。
BFRP具有较高的耐热性能、弹性模量、耐腐蚀，其抗拉强度较高，比CFRP具有较高的延伸率，且价格低廉，是生态环保的绿色材料，逐渐在建筑应用领域扩展开来。
延长混凝土结构的使用寿命，解决冻融环境长期作用导致的既有混凝土结构耐久性损伤，继而造成混凝土结构抗震性能退化的问题，开展BFRP加固冻融环境下混凝土结构抗震性能研究，可以进一步加强钢筋混凝土结构抗震性能，加固混凝土结构的耐久性，对混凝土结构工程防灾减灾具有重大的理论意义和工程价值。
1、有限元模型建立1.1 构件模型参数确定共设计16个钢筋混凝土柱，柱高1100mm，截面尺寸为200mm×200mm，水平加载高度为1000mm，剪跨比 =1000/200=5，基座的尺寸为900mm×500mm×400mm；柱为对称配筋，纵筋采用HRB335钢筋，每侧配筋为3Φ14mm，配筋率为2.308%；箍筋采用直径为6mm的HPB235钢筋，间距为80mm，钢筋的力学性能指标见表1，纵向受力钢筋的保护层厚度为20mm。
玄武岩纤维掺杂混凝土材料特性的相关分析
玄武岩纤维掺杂混凝土材料特性的相关分析摘要：混凝土材料的某些特殊性能可通过添加玄武岩纤维实现有效改善，采用玄武岩纤维的新型混凝土材料便能够证明其实用性，相关研究也因此大量涌现。
基于此，本文围绕玄武岩纤维掺杂混凝土材料特性开展了相关试验，研究结果表明，玄武岩纤维的应用的确能够有效提升混凝土材料的部分性能，这种提升在抗折强度、收缩应变等方面的表现较为显著。
关键词：玄武岩纤维;混凝土材料;抗压强度作为应用最广泛的建筑材料，混凝土材料具备价格低廉、易成型、抗压强度高等优势，但同时也存在韧性差、脆性大、抗拉强度低等不足，为有效弥补这类不足，近年来业界围绕复合水泥基材料开展了大量研究，在混凝土材料中掺人玄武岩纤维便属于这类研究的代表之一，本文研究的现实意义是添加这类无机材料纤维，改善混凝土材料某些不足的性能。
1玄武岩纤维混凝土的特性玄武岩纤维是典型的硅酸盐纤维，与混凝土基体具有天然的相容性，能使新拌玄武岩纤维混凝土体积稳定，和易性较好。
在混凝土中均匀多向分布玄武岩纤维，对水泥混凝土起到了“网联”与“承托”作用。
这种作用所产生的效应表现在以下几个方面：1.1提高水泥混凝土的抗拉强度。
玄武岩纤维易随机均匀地分布在水泥混凝土中，跨越水泥混凝土中存在的微细缝隙，对裂缝的产生和发展起到了约束作用，阻止了裂缝的扩展，从而也就提高了水泥混凝土的抗拉强度。
1.2提高水泥混凝土的抗渗性能。
均匀分布的大量玄武岩纤维在混凝土中起了“承托”作用，降低混凝土表面的析水与集料的离析现象，使水泥混凝土中的微空隙含量大大减少，极大地提高了混凝土的防水抗渗性能。
1.3提高水泥混凝土的抗裂性能。
玄武岩纤维与水泥基材料能充分混合，在混凝土中形成不规则的多向分布网络体系，这种分布造成了大量的微配筋，承受水泥混凝土在收缩变形时产生的应力和能量，增加了水泥混凝土的韧性，抑制了其裂纹的产生和发展。
1.4提高水泥混凝土的抗冲击性能。
均匀分布的玄武岩纤维对于混凝土的冲击力学性能具有一定的改善效果。
玄武岩纤维连续配筋水泥混凝土路面施工工艺分析
用水 泥混 凝土 应具有 较好 的工 作性 、较 高 的抗 折强
度 、较小 的抗 折弹性 模量 和 收缩性 能 。
１ 路 面 基 层 检 查 验 收 ． ２
连 续配 筋水 泥混凝 土路 面 的主要 施工 工 序如 图
１ 示 所
施 工 准 备
路面基 层 的检测 验 收也是 连续 配筋 混凝 土 路面
ＴＩ ＡＮ —ｙ Ｚｅ ｕ
（ ｂ ｉ ａ Ｇ ａｇＥ ｐｅｓａ ｉｇ Ｈ ｎ ｅｔ ｎＭａ ａｅ ｎ ｆｃ， ｈ ｉ ｈ ａｇ０ ０ ０ ， ｈｎ ） Ｈｅｅ Ｄ － ｕ ｎ ｘ ｒｓｗ ｙＪ － ｅｇＳ ｃ ｏ ｎ ｇｍｅｔ ｆ ｅ Ｓ ｉａ ｕ ｎ ５０ ０ Ｃ ｉａ ｎ ｉ Ｏｉ ｊｚ
Ｃｏ ｓ ｒ ｃ ｉ ｎ Ｔｅ ｈ ｏ ｏ ｙ Ａｎ ｌ ｓｓｏ ｓ ｌ ｂ ｒ Ｃｏ ｔｎ ｏ ｓｙ ｎ ｔ ｕ ｔ ｃ ｎ ｌ ｇ ａ ｙ ｉ ｎ Ｂａ ａ ｔＦｉ ｅ ｎ ｉ ｕ ｕ ｌ ｏ Ｒｅ ｎ ｏ ｃ ｄ Ｃｏ ｃ ｅ ｅ Ｐａ ｅ ｅ ｔ ｉ ｆ ｒ ｅ ｎ ｒ ｔ ｖ ｍ ｎ
ｔｅ ｔ ｎ ｓａ ｄ ｃ ｎ ｔ ｃｉ ｎ ｑ ａ ｉ ｆｂ ｓ ｌ ｆ ｅ ｏ ｔ ｕ ｕ ｌ ｅｎ ｏ ｃ ｄ ｃ ｎ ｒ ｔ ａ ｅ ｎ ， ｈ ｅ ｈ ｉ ａ ｏｎ ｓ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｎ ｏ ｓｒ ｔ ｕ ｌ ｙ ｏ ａ ａｔｉ ｒｃ ｎ ｉ ｏ ｓｙ ｒ ｉｆ ｒ ｅ ｏ ｃ ｅｅ ｐ ｖ ｍｅ ｔ ｔ ｅ ｔｃ ｎ ｃ ｌ ｉ ｔ ｕ ｏ ｔ ｂ ｎ ｐ ｏ ｏ ｔ ｕ ｕ ｌ ｅ ｎ ｏ ｃ ｄ ｐ ｖ ｍｅ ｔ ｃ ｎ ｔ ｃｉ ｎ ａ ｅ ｓ ｍｍａ ｉｅ ，ｗｈ ｃ ａ ｏ ｕ ｄ ｎ ｉ ｎ ｆ ａ ｃ ｏ ｈ ｆ ｃ ｎ ｉ ｏ ｓｙ ｒ ｉ ｆ ｒ ｅ ａ ｅ ｎ ｏ ｓｒ ｔ ｒ ｕ ｎ ｕ ｏ ｒｚ ｄ ｉｈ ｈ ｓ ｓ ｍｅ ｇ ｉ ｉ ｇ ｓｇ ｉ ｃ ｎ ｅ ｆ ｒ ｔ ｅ ｉ ｃ ｎ ｔ ｃｉ ｎ ｏ ａ ａ ｔ ｂ ｒｃ ｎ ｉ ｕ ｕ ｌ ｅ ｎ ｏ ｃ ｄ ｃ ｎ ｒ ｔ ａ ｅ ｎ ｏ ｓｒ ｔ ｆ ｓ ｌ ｆ ｅ ｏ ｔ ｏ ｓ ｒ ｉ ｆ ｒ ｅ ｏ ｃ ｅｅ ｐ ｖ ｍｅ ｔ ｕ ｏ ｂ ｉ ｎ ｙ
连续配筋混凝土刚柔复合式路面界面剪应力分析
连 续配筋 混凝 土 刚柔复合 式沥青路 面是 将连续 配筋混凝 土 （ Ｒ ） Ｃ Ｃ 的高强 度 与沥 青混 凝 土 （ Ｃ） Ａ 的 行 车舒 适 性 相 结 合 的一 种 新 型 复 合 式 路 面 结 构 ， Ｃ Ｃ作 为刚性基 础 ， Ｒ 主要起承重 作用 ， 面 Ａ 表 Ｃ层 起
２ １ ００
平摩擦系数进行分类 ， 并依据不 同摩擦 系数计算 出 相应的水平力及最大层间剪应力 ， 计算结果见图４ 。
温度Ｔ ℃ ／
图 ２ 温 度 变化 对 层 同 剪 应力 的影 响
由图 ２ 分析可知， 间剪应力随着温度的增加 层 而增加 ， 一 ０— ０《 在 １ ２ｃ 间呈单调递增趋势 ， ＝ 当温度超 过 ２ ｃ后 ， ０ｃ 曲线斜率下降 ， 相应的剪应力增长变缓。 由图 ４ 分析可知 ， 间最大剪应力随着表 面摩 层 擦 系数 的增 加而 增 加 ， 线性 关 系 。 当表 面摩 擦 系 呈
第 １ 期 １
北 方 交 通
连 续 配筋 混凝 土 刚 柔复 合 式 路 面界 面 剪 应 力分 析
刘美 思 ， 才 华
（ 阳建筑大学土木工程学院 ， 阳 １０ ６ ） 沈 沈 １ １８
摘
要： 连续配筋混凝土刚柔复合式沥青路 面是一种 新型复合 式路 面结构 ， 具有 强度 高、 整体性 强等优点 ， 但
系数、 轮载增加而增加 ， 且变化 幅度 明显 ； 随着结构层厚度的增加而减小 ， 于非线性下降。 趋
关键词 ： 连续配筋混凝土 ； 沥青混凝土 ； 刚柔复合式路面 ； 面剪应力 界
中图分类号 ：４ ６ ２４ Ｕ １．２ 文献标识码 ： Ｂ 文章编号 ： ７ ６ ５ （０ ０ １ ００ — ３ １ ３— ０ ２ ２ １ ） １— ０ １ ０ ６
复合式路面受力的分析研究
ｃ ｍ，综合应力 降低 了 ０ ２ ａ ． ２ＭＰ 。 （ ）沥青 混合料 面层模 量的影响。从 图 ２可 以看 ２ 出，随着面层模量的增加 ，复合式路面 的综 合应力有 所下降 ，但是 幅度很 小 。面 层模 量 从 １ ０ ＭＰ ０ ａ增 长 ０ Ｎ５０ ０ＭＰ ，３种面层厚度下 ，路面结构 的综合应力 ０ ａ 只降低 了 ２ ５％ ～ ． ． ４０％。计算 中模量变 化时 ，由于 相 同面层厚度下温度应力不变 ，路 面综合 应力 的变化 也就反 映了荷载应力 的变化 。因此 ，沥青 混合料 面层 模量 的取值不会影 响复合式 路面的受力性 能。 （ ）超载分析 。不论 沥青 混合料 面层 厚度 多少 ， ３ 超载每增 长 １ ０％ ，综 合应力 增长 ０ ６～ ． ａ ． ０ ７ＭＰ 。从 计算 结 果 可 以 看 出，即 使 是 薄 面 层 （ ｍ） ４ ｃ ，在 １０％超载的情 况下 ，Ｃ Ｃ ０ Ｒ Ｐ板 的综 合应 力也 小 于水 泥混凝土的弯拉强度标 准值 ５Ｍ ａ Ｐ 。因此 ，路 面结构 在最不利荷载综合作用下不会发生脆性破坏 。
１ 引言
在连续 配筋混凝 土 （ Ｒ Ｐ Ｃ Ｃ ）上加铺 沥青 混合 料 面层形 成的复合式路 面 ，提 高了路 面的服务性 能 ，也 改善了路面结 构的受力特性 。考 虑到我 国高速公 路 的 超载现象十分普遍 ，而车辆 超载是造成路面早期 破坏 的重要 因素之一 ，因此 ，研 究和发 展复合式路 面结构
ｋｔ ， ｒ
（ ２）
２ｃ ｍ，不 同超载 情 况下 ，综 合 应 力 的变 化 值 都很 接 近 ，并且随着面层厚度 的增加 ，应力变 化趋缓 。沥青 混合料 面层厚度从 ４ ｃ ｍ增加 到 ６ｃ ｍ，综 合应 力 降低 了 ０ ３ Ｐ ．５ Ｍ ａ左 右 ；而 面 层 厚 度从 １ ｍ增 加 到 １ ０ｃ ２
玄武岩片材加固混凝土双向板的非线性有限元分析
玄武岩片材加固混凝土双向板的非线性有限元分析摘要本文采用分离式钢筋混凝土非线性有限元方法，对集中荷载作用下玄武岩纤维加固板进行了开裂荷载和极限承载力分析，并与试验结果进行了对比。
混凝土材料采用弹塑性本构模型；为考虑材料达到极限强度后的性能，用分布裂缝模式模拟混凝土拉裂后的裂缝，不考虑混凝土的压碎；钢筋采用杆单元模拟。
经与试验结果对比，两者吻合性较好。
关键词玄武岩纤维非线性有限元1 前言玄武岩连续纤维CBF（Continuous Basalt Fiber）是一种无机纤维材料，是以火山爆发形成的一种玻璃态的纯天然玄武岩矿石为原料，经高温熔融后，通过喷丝板拉伸成的连续纤维，其外观为深棕色，色泽与碳纤维十分相似。
玄武岩连续纤维片材具有优异的力学性能、耐高温、耐腐蚀、施工方便、来源充足、价格便宜等特点，它将是继碳纤维之后的一种用于建筑工程的加固材料，因此用玄武岩纤维加固混凝土双向板的研究对玄武岩纤维在加固实际工程中的应用具有重要的意义。
本文采用有限元分析软件ANSYS中的SOLID65空间实体单元、SOLID45三维实体单元、LINK8三维杆单元、SHELL41空间膜单元和COMBIN39单元进行建模分析。
用SOLID65单元来模拟混凝土板，SOLID45模拟刚性垫块（防止应力集中），LINK8模拟钢筋，SHELL41模拟玄武岩纤维布，COMBIN39模拟混凝土双向板简支边的水平约束，用分离法建立钢筋混凝土板的有限元模型。
1 单元类型SOLID65单元具有分析空间构件的功能，可用于含钢筋或不含钢筋的三维实体模型，该实体模型还可具有拉裂与压碎的性能，且模拟的结果与实际的结果是比较吻合的。
在混凝土的应用方面，可用单元的实体性能来模拟混凝土。
该单元具有8个节点，每个节点有3个自由度，即x，y，z 3个方向的线位移。
SOLID45单元可用于三维实体模型.该单元具有8个结点，每个结点有3个自由度，即x，y，z 3个方向的位移。
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玄武岩纤维筋连续配筋复合式路面荷载应力分析黄志义;罗圆月;王金昌;胡晓宇【摘要】In this paper,the finite element software ABAQUS is used to build the load stress mod-el about BFRP(basalt fiber reinforcedpolymer)continuously reinforced composite pavement.The model is based on the double panel model on the elastic foundation and the cohesive element is applied to define the normal and tangential contact constitutive behavior of cracks,in another word,the joint shear stiff-ness is used to simulate interlock action between cracks.Through a mass of analysis,the middle of longi-tudinal free edge is found out as the critical load position under different transverse crack spacing.In both cases of BFRP reinforcement and steel reinforcement,the influence of the thickness of AC and CRC layer,bar distribution,reinforcement ratio,joint shear stiffness on the concrete slab stress is discussed. The calculation results indicate that the value and change law of concrete slab stress is similar,which provide theoretical foundation for the BFRP applied to CRC +AC composite pavement.%运用 ABAQUS 有限元软件，建立了基于弹性地基双层板模型和裂缝模式下的玄武岩纤维筋连续配筋复合式路面荷载应力有限元模型，提出用粘结单元定义裂缝接触面的法向和切向接触本构行为，即用裂缝剪切刚度来模拟裂缝间的嵌锁作用。
通过分析确定了不同裂缝间距下复合式路面的临界荷位---纵向自由边中部，并比较了 BFRP筋和钢筋两种配筋条件下混凝土板应力随 AC 层厚度、CRC 层厚度、筋位置、配筋率及裂缝剪切刚度的变化规律。
计算结果表明，2种配筋条件下混凝土板应力值随参数变化规律相似，应力值基本相等，这为 BFRP筋应用于CRC ＋AC 复合式路面提供了理论依据。
【期刊名称】《公路工程》【年(卷),期】2014(000)005【总页数】6页(P6-11)【关键词】玄武岩纤维筋;连续配筋混凝土;复合式路面;粘结单元;临界荷位;荷载应力【作者】黄志义;罗圆月;王金昌;胡晓宇【作者单位】浙江大学交通工程研究所，浙江杭州 310058;浙江大学交通工程研究所，浙江杭州 310058;浙江大学交通工程研究所，浙江杭州 310058;浙江大学交通工程研究所，浙江杭州 310058【正文语种】中文【中图分类】U416.221 概述连续配筋混凝土复合式路面(CRC+AC)是一种新型的复合式路面，它是在连续配筋混凝土(CRC)路面上加铺沥青混凝土(AC)面层的一种耐久性路面结构，其结合了连续配筋混凝土板的高强度性和沥青路面的行车舒适性。
CRC+AC这一刚柔相济的复合式路面结构具有使用寿命长、整体强度高、维修费用小等特点，是今后重载交通高速公路长寿命路面结构的发展方向之一。
但是，在CRC层中，钢筋不可避免地存在锈蚀问题，从而影响路面的使用性能，同时，研究表明，连续配筋混凝土内的纵向钢筋主要起控制裂缝的作用(轴向受力)［1－2］，对荷载应力影响不大，这对钢材这一战略资源来说实为大材小用。
以玄武岩纤维筋(BFRP筋)替代钢筋的连续配筋混凝土复合式路面则是近年来出现的新型路面，BFRP筋是以玄武岩纤维为增强材料，以合成树脂为基体材料，并掺入适量辅助剂，经拉挤工艺和特殊的表面处理形成的一种新型复合材料［3］。
其原材料立足于我国丰富的玄武岩自然资源，具有强度高、耐腐蚀、重量轻等优点，具有良好的应用前景。
在CRCP裂缝模型有限元分析中，日本Kanazama大学的Tatsuo Nishizwa及Tohoko大学的Tadashi Fukuda等人采用了一系列线性弹簧组成的裂缝模型来模拟连续配筋混凝土路面横向裂缝的传荷性能［4］;东南大学唐益民［5］等人建立了裂缝弹簧模型，用单元尺寸为零的三向线性弹簧联接单元模拟裂缝处的传荷能力，并提出了考虑裂缝处传递水平力的局部迭代法;刘朝晖［6］采用裂缝虚拟填料的方法模拟横向裂缝开裂后的机械嵌锁作用，并通过变化虚拟填缝材料的刚度来模拟裂缝的开裂程度。
本文运用ABAQUS有限元软件，用粘结单元定义裂缝接触面的法向和切向接触关系，即用裂缝剪切刚度来模拟裂缝间的嵌锁作用，建立了基于弹性地基双层板模型和裂缝模式下的玄武岩纤维筋连续配筋复合式路面荷载应力有限元模型。
2 有限元模型CRC+AC复合式路面荷载应力有限元模型计算采用三维模型，模型共分为4个结构层:沥青混凝土层(AC层)、水泥混凝土层(CRC层)、基层+底基层和土基。
其中考虑CRC层有横向裂缝，按多板系统进行分析。
有限元模型如图1和图2所示。
图1 三维有限元模型Figure 1 Three-dimension model2． 1 基本假定①玄武岩纤维筋呈直线规则排列，混凝土与玄武岩纤维筋完全粘结，两者变形协调，忽略横向玄武岩纤维筋的作用;②混凝土均匀各向同性，路面各结构层为均匀、连续、各向同性的连续弹性体;③横向裂缝贯穿CRC层，垂直于行车方向，等间距分布。
裂缝处考虑混凝土骨料嵌锁传荷作用，接缝传荷方式用裂缝剪切刚度来表征［7］，玄武岩纤维筋在裂缝处连续;图2 网格图Figure 2 Grid chart④AC层和CRC层层间完全连续，CRC层和基层+底基层之间不完全连续，用摩阻系数来表征层间的接触关系，基层+底基层与土基层间完全连续;⑤采用弹性半空间地基。
2． 2 裂缝模型在本文有限元分析中，用粘结单元定义裂缝接触面的法向和切向接触本构行为，模拟裂缝间的嵌锁作用。
其本构模型为图3所示的双线性本构模型，其演化规律为线性演化，具体演化规律见ABAQUS应用手册。
此模型属于损伤力学模型，是基于损伤力学发展而来的方法［8］。
其横坐标为位移，纵坐标为应力，斜率代表粘结单元的刚度。
图3 双线性本构关系Figure 3 Bilinear constitutive relation从图3可以看出:刚开始上升段刚度为K0，当单元达到失效的条件后，刚度不断折减，并可达到完全失效，其中K为折减后的刚度，D为损伤因子。
裂缝模型中粘结单元的应力－位移关系如下式所示，不考虑法向与切向方向的相互影响，即式中非对角线方向刚度0。
式中:Knn为裂缝的法向刚度，Kss，Ktt为裂缝两侧骨料的嵌锁刚度，即裂缝的剪切刚度。
2． 3 计算参数AC层厚度 h AC=6 cm，弹性模量 E AC=1 500 MPa，泊松比μAC=0．3，重度为 24 kN/m3。
CRC层厚度h CRC=24 cm，水泥混凝土弹性模量E C=30 GPa，泊松比μC=0．167，重度为 25 kN/m3，板宽为7．5 m。
采用Φ14 mm玄武岩纤维筋为纵筋，筋设置在CRC层1/2处，筋间距为8 cm，配筋率为0．79%，BFRP筋弹性模量E B=40 GPa，泊松比μB=0．2。
基层为5%水泥稳定碎石，其厚度为20 cm，弹性模量为1 300 MPa;底基层为3%水泥稳定碎石，其厚度为20 cm，弹性模量为1 100 MPa，根据文献［9］，将基层和底基层合并为一个结构层，计算得到基层 +底基层厚度为40 cm，弹性模量为1 200 MPa，取泊松比为0．25。
地基模量为 40 MPa，泊松比为0．35。
裂缝间剪切刚度取1 000MPa/m，CRC层与基层+底基层间的摩阻系数取8．9［10］，地基尺寸最终确定为12 m×22．5 m×10 m。
2． 4 网格类型和边界条件BFRP筋采用线性梁单元，单元类型为B31，其它各结构层采用正六面体空间单元，单元类型为C3D8R。
计算发现，计算结果对网格大小的依赖性较大，经多次计算比较分析，最终取AC层，CRC层网格大小为0．1 m，BFRP筋网格大小为0．2 m，基层网格大小为0．2 m，地基网格大小为0．6 m，共计网格59 020个，此时计算结果趋于稳定。
边界条件为各结构层行车方向施加位移约束，AC层，CRC层，基层+底基层板宽方向自由，土基侧向及底部位移约束，BFRP筋端部位移约束。
2． 5 荷载2．5．1 行车荷载计算行车荷载采用BZZ—100标准双轮轴载，胎压0．707 MPa。
每个轮胎接触面积的大致形状可由一个矩形和两个半圆形组成［11］，如图4所示，其接触面积为:其中:AC可由每个轮胎承受的荷载除以胎压求得。
根据文献［11］，可将接触面积等效为0．8712 L×0.6 L的矩形，见图4。
图4 轮胎接触面积尺寸Figure 4 The size of tire contact area计算可知:每个轮胎的接触面积可等效为0．23 m×0．16 m 的矩形，双轮间距为0．32 m，两侧轮隙间距为1．82 m，单侧轮载示意图如图5所示。
文献［12］计算分析表明，单侧轮载比双侧轮载对混凝土板产生的不利影响大，原因在于双侧轮载的另一侧轮载的反翘曲作用抵消了对称轴上的部分应力值，故本文有限元分析中取单侧轮载进行计算。
图5 轮胎接触面积等效示意图(单位:cm)Figure 5 Equivalent diagram of tire contact area(Unit:cm)2．5．2 重力由于CRC层与基层+底基层之间用摩阻系数来表征层间的接触关系，这就必须考虑AC层和CRC层自重的影响。
在ABAQUS中设置初始地应力场平衡，在分析步1中设置重力荷载，在分析步2中设置车辆荷载和重力荷载，最后两步相减，得到车辆荷载单独作用下计算结果。