海洋环境中预应力GFRP筋混凝土板受力分析

刘志威 丁冰双

摘 要：目前，沿海城市修建的大跨度预应力桥梁越来越多，然而海洋环境对钢筋的锈蚀给结构带来很多问题。GFRP筋具有良好的耐腐蚀性，用GFRP筋取代钢筋能很好地解决钢筋易锈蚀的问题。主要通过ABAQUS模拟分析预应力GFRP筋混凝土板的受力性能，并与预应力钢筋混凝土板进行对比，最后提出一些改进混凝土板受力性能的措施。

关键词：海洋环境;GFRP筋;钢筋;预应力

中图分类号：TB     文献标识码：A      doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.23.105

近些年，沿海城市修建的大跨度预应力桥梁越来越多，海水的蒸发使得沿海城市的钢筋混凝土构件处于海洋环境中。海水中盐的含量占3%左右，且富含Cl—。混凝土的高碱性环境使钢筋表面产生一层致密的钝化膜，而Cl—是极强的去钝化剂，Cl—吸附于钝化膜处，使得pH值迅速降低，从而破坏钢筋表面钝化膜。铁基体作为阳极受到腐蚀，大面积钝化膜区域作为阴极。由于是大阴极对应小阳极，钢筋的腐蚀速度很快。钢筋锈蚀体积膨胀，严重影响钢筋的工作性能和使用寿命，类似的案例屡见不鲜。而GFRP筋具有较强的耐腐蚀性，各项性能与钢筋比较类似，能较好地解决钢筋锈蚀的问题。另外预应力结构具有抗裂性好、减小自重等优点，在大跨度桥梁中应用广泛。但是目前，国内对预应力GFRP筋混凝土的研究较少，因此本次研究十分必要。

1 预应力结构、GFRP筋的特点

1.1 预应力结构的优缺点

优点：（1）抗裂性好;（2）节省材料，减小自重;（3）提高构件的耐疲劳性能。缺点：（1）工艺较复杂，对质量要求高;（2）需要有一定的专门设备。

1.2 GFRP筋的优缺点

优点：（1） 较强的耐腐蚀性;（2）比强度高。缺点：（1）各向异性;（2）热固性材料。

2 预应力GFRP筋混凝土板和预应力钢筋混凝土板的对比分析

本文通过有限元软件ABAQUS对预应力GFRP筋混凝土板和预应力钢筋混凝土板进行模拟，对比分析两者的受力性能。

2.1 试件的分组

我们将构件分为两组：一组构件配置GFRP筋;另一种构件配置钢筋，其中预应力钢筋混凝土板作为对照组。为了验证配筋率和混凝土强度对混凝土板受力性能的影响，配置GFRP筋的构件再分为以配筋率不同和混凝土强度不同的四组。各组构件除了上面提到的差别外，其他参数均相同，具体分组情况如下：

第A1组：配置8*Φ18 的GFRP筋，选用C30混凝土。

第A2组：配置16*Φ18 的GFRP筋，选用C30混凝土。

第A3組：配置32*Φ18 的GFRP筋，选用C30混凝土。

第A4组：配置16*Φ18 的GFRP筋，选用C40混凝土。

第B组：配置16*Φ18 的钢筋，选用C30混凝土。

各组构件的梁内均配备24*Φ32的钢筋，各组都按构造要求配置箍筋。

2.2 混凝土板、梁的具体尺寸

2.3 模型的建立

2.3.1 模型的简化

忽略梁以下的构件，对梁底部设置固定约束，忽略了板内的构造钢筋。

2.3.2 定义接触

纵筋及箍筋与混凝土的关系采用embedded的约束条件，板与梁的接触定义为铰接。

2.3.3 定义预应力

采用降温法定义预应力，即在GFRP上筋施加降温荷载，使GFRP筋收缩，通过GFRP筋与混凝土之间的连接将GFRP筋的收缩应变传递到混凝土材料中去，从而使混凝土获得预应力。本次模拟在筋材上施加的温度荷载为降温25度，模型如图1所示。

2.4 结果的处理

2.4.1 极限承载力

设置Static，risk的分析步，在板上施加1KN/m的均布荷载，作为荷载幅值。

2.4.2 跨中挠度

通过在混凝土板上施加5KN/m2的均布荷载，计算跨中挠度。

由表2可以看出：相同条件下，预应力GFRP筋混凝土板（A2）的极限承载力略小于预应力钢筋混凝土板（B），跨中挠度略大于预应力钢筋混凝土板（B）。通过对比A1、A2 、A3、A4的结果，可以看出增大GFRP筋的配筋率和提高混凝土强度时，可以提高预应力混凝土板的极限承载力，减小混凝土板跨中的挠度。

3 结论

对于处于海洋环境的预应力混凝土板来说，使用GFRP筋能有效解决钢筋易锈蚀的问题，提高混凝土板的工作性能和使用寿命。而且通过上述分析，配置GFRP筋和配置钢筋的预应力混凝土板的受力性能相差不大，我们也可以通过适当增大配筋率、提高混凝土强度等措施改善预应力混凝土板的受力性能。因此在海洋环境中，我们可以尝试用GFRP筋替换钢筋应用到预应力混凝土板中。

参考文献

[1]刘志威.装配式FRP筋混凝土节点研究[J].建材世界，2016.

[2]赵满，刘贺，李平.FRP加固预应力混凝土梁裂缝分析方法[J].四川建材，2018.

[3]房栋.体外预应力FRP筋加固RC单向板计算方法[D].郑州：郑州大学，2017.