朝着FRP增强混凝土梁的预测性有限元模型的发展

《Borsa Istanbul Review》：Toward a predictive finite element model for FRP-reinforced concrete beams

现有有限元模型对FRP混凝土梁弯曲行为的预测精度差异显著，重点影响因素为混凝土拉伸与压缩本构模型及FRP-混凝土界面建模。研究表明，混凝土拉伸应力-应变关系对变形预测影响最大，而压缩行为影响较小。传统界面模型忽略滑移效应导致裂纹荷载、分布及挠度预测不准确。本文提出一种新型初始刚度结合的界面滑移模型，基于全面数据库推导参数，构建的有限元模型能准确预测FRP-RC梁全弯矩行为，特别是服务性能指标（裂缝宽度、分布及挠度），无需依赖实验数据。

　　

杨俊龙|于涛

中国香港香港理工大学建筑环境与能源工程系，沿海城市气候韧性国家重点实验室

摘要

尽管存在许多用于纤维增强聚合物（FRP）增强混凝土梁弯曲分析的有限元（FE）模型，但它们的准确性差异很大，这表明需要一个具有稳定预测能力的模型。本文首先对现有的FE模型进行了全面评估，强调了混凝土本构模型（包括拉伸和压缩）以及FRP筋-混凝土界面建模对模拟结果的影响。实验观察结果与FE结果之间的比较表明，混凝土的实现实际应力-应变关系对于建模精度至关重要，而其压缩行为对变形特性的预测影响较小。此外，常用的理想粘结假设即使在考虑了拉伸增强效应的情况下，也无法准确预测裂缝载荷、裂缝模式和变形。因此，需要明确模拟粘结-滑移行为。为了克服现有粘结-滑移模型的有限预测能力，本研究提出了一种简化了的粘结-滑移模型，该模型结合了一个新制定的初始刚度。该模型基于一个全面的数据库，能够直接从几何和材料属性确定粘结参数。将这种新的粘结-滑移模型纳入FE模型后，可以准确预测FRP增强混凝土梁的完整弯曲行为，特别是在适用性方面（例如裂缝宽度、裂缝模式和变形），而无需先前的实验数据。

引言

由于纤维增强聚合物（FRP）筋具有许多优点，如高强度重量比、优异的耐腐蚀性和非导电性[1]、[2]、[3]，它们已成为混凝土结构中钢筋的有希望的替代品。因此，已经进行了许多关于FRP增强混凝土（RC）梁弯曲行为的实验研究[4]、[5]、[6]，这些研究为当前标准和指南中的设计规定奠定了基础[7]、[8]、[9]。

与钢筋混凝土设计的一个关键区别在于，FRP-RC梁的弯曲设计通常受适用性极限状态（例如变形和裂缝宽度）的支配，而不是强度极限，这是由于FRP筋的弹性模量相对较低[7]所致。因此，准确预测变形特性是有效设计的前提。虽然实验室测试提供了宝贵的数据，但它通常耗时且成本高昂。此外，物理测试存在固有的局限性：传统的实验方法无法完全捕捉FRP-混凝土粘结相互作用和裂缝附近的应变分布[8]、[9]、[10]。

有限元（FE）分析是研究材料中的应力和应变场以及加载过程中FRP筋与混凝土相互作用的有效工具[11]、[12]。这些现象是传统理论分析（如截面分析）难以解释的。尽管有许多FE研究已经探讨了FRP-RC梁的弯曲行为[13]、[14]、[15]，但在变形特性方面的建模精度仍然是一个问题。数值预测与实验观察到的变形响应之间的差异[16]表明，需要进一步改进FE建模，特别是在以下三个方面。

首先，为FRP-RC梁选择合适的混凝土本构模型至关重要，特别是对于那些加固比低和/或FRP筋弹性模量低的梁。由于FRP-RC梁通常表现出更大的变形和更宽的裂缝，因此对混凝土特性的描述应严格考虑压缩塑性和拉伸软化行为。许多研究[14]、[15]、[17]表明，变形预测的准确性高度依赖于混凝土拉伸行为的定义，这代表了混凝土在裂缝之间承受拉伸载荷的能力[13]。此外，断裂能量或应力-裂缝开口关系的不适当校准可能导致载荷-变形关系在开裂后的刚度出现显著差异[18]。

此外，模拟FRP筋与混凝土之间的界面需要一种复杂的方法。许多现有研究[19]、[20]、[21]采用了理想粘结假设来模拟FRP筋与混凝土之间的相互作用。尽管简化相互作用行为可以降低计算成本，但这种方法可能导致预测裂缝宽度等量值的误差，因为粘结-滑移关系已被确定为钢筋混凝土梁数值模拟的关键因素[22]。因此，应采用更先进的技术来模拟FRP筋-混凝土界面以解决这一问题。

最后，混凝土开裂后的显著非线性以及复杂的筋-混凝土相互作用常常引发严重的收敛困难[23]。传统的静态求解技术，如牛顿-拉夫森方法，在开裂后的软化阶段往往无法收敛。为了缓解这种不稳定性，已经探索了先进的求解策略，包括弧长法或实施显式动态求解器来模拟准静态加载[23]、[24]。尽管已经尝试[13]、[25]改进混凝土建模、粘结行为和求解技术的各个方面，但据作者所知，还没有研究系统地考虑所有这些影响因素以实现FRP-RC梁的准确建模。

鉴于此背景，本研究旨在开发一个能够准确捕捉FRP-RC梁弯曲行为的FE模型。本文首先比较了钢筋混凝土（SRC）梁和FRP-RC梁的数值模拟弯曲行为。随后，评估了几个关键建模参数，包括混凝土行为和FRP筋与混凝土之间的粘结相互作用。最后，提出了一种新的FE模型，并通过实验结果进行了验证。

章节摘录

钢筋混凝土（SRC）梁与FRP-RC梁的比较

现有的SRC梁FE模型[26]、[27]、[28]主要在所采用的混凝土材料模型和钢筋-混凝土界面的建模技术上有所不同。陈[22]发现，准确处理钢-混凝土界面处的粘结-滑移行为对于可靠的建模至关重要。因此，他开发了一个先进的FE模型，可以提供对SRC梁行为的近似预测。然而，由于FRP-RC梁与SRC梁之间存在显著差异

概述

在FRP-RC梁的FE模拟中，准确建模混凝土和FRP的材料特性及其界面是必不可少的。由于FRP在失效前表现出线性弹性行为，因此需要更加关注混凝土建模和混凝土-钢筋粘结行为。表2总结了基于广泛文献回顾的现有研究[13]、[14]、[15]、[17]、[18]、[20]、[21]、[24]、[25]、[32]、[33]、[34]、[35]、[36]、[37]关于FRP-RC梁的FE建模。

概述

在ABAQUS中开发了一个二维FE模型[38]，以模拟FRP-RC梁的弯曲行为，遵循陈[22]提出的方法。混凝土使用四节点双线性平面应力单元（CPS4）进行建模，而FRP筋使用两节点线性桁架单元（T2D2）进行建模。根据网格收敛研究，混凝土和FRP筋的最大单元边长均设置为梁跨度的0.5%（即大约5-12.5毫米）。

验证

为了验证所提出的FE模型的准确性，选择了表7中列出的10个FRP-RC梁。图23显示了每个试样的极限载荷和相应跨中位移的预测值与实验值的比率。极限载荷和跨中位移的比率平均值分别为0.95和0.94。可以看出，大多数比率都在±20%的误差范围内。尽管极限载荷的预测精度可能

结论

本文全面研究了FRP-RC梁弯曲行为的预测FE模型的开发。对现有FE模型在FRP-RC梁变形特性方面的预测能力进行了批判性评估，重点阐明了混凝土行为和筋-混凝土粘结行为的影响。还建立了一种预测FE方法，结合了一个新提出的粘结-滑移模型和初始

未引用的参考文献

[112]、[113]。

CRediT作者贡献声明

杨俊龙：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，验证，软件，方法论，正式分析，数据管理。于涛：撰写——审阅与编辑，资源，项目管理，资金获取，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

作者感谢香港研究资助委员会（项目编号：15229224）和香港理工大学的沿海城市气候韧性国家重点实验室提供的财务支持。作者还感谢PolyU博士后匹配基金计划对第一作者的支持。此外，作者还感谢华南的Chen Guang-Ming教授的宝贵讨论。