剪跨比對BFRP筋混凝土梁抗剪性能影響的研究

黃知花，林家波，陸佳炯，郭范波

（臺州學(xué)院 建筑工程學(xué)院，浙江 臺州 318000）

0 引言

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在海洋或鹽堿環(huán)境中，容易出現(xiàn)鋼筋銹蝕的問題，而由于鋼筋銹蝕導(dǎo)致的后果非常嚴(yán)重，甚至?xí)霈F(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞。為了解決鋼筋混凝土中鋼筋銹蝕的問題，各國學(xué)者對此都展開了較多的研究，傳統(tǒng)的防腐措施有混凝土表面涂層法、陰極保護(hù)法、采用耐腐蝕鋼筋、鋼筋阻銹劑等，雖然對解決鋼筋腐蝕有一定的作用，但是都存在著各自的弊端，而采用玄武巖纖維材料（BFRP）筋代替鋼筋是一種潛在的方法。

玄武巖纖維是由玄武巖巖石經(jīng)過熔融抽絲而成，其主要化學(xué)成分是硅和氧，但由于其鋁、鐵的含量較高，因此玄武巖纖維的耐化學(xué)腐蝕性能較好［1、2］。玄武巖纖維復(fù)合材料是一種純天然的無機(jī)非金屬材料，具有高強(qiáng)度、耐溫性、抗氧化、抗輻射、絕熱隔音、過濾性好、抗壓縮強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度高、適應(yīng)于各種環(huán)境下使用等優(yōu)異性能，且性價(jià)比好，是一種可以滿足國民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求的新的基礎(chǔ)材料和高技術(shù)纖維。玄武巖纖維與其他纖維的性能比較如表1所示。用玄武巖筋替代混凝土中的鋼筋作為骨架應(yīng)用于高腐蝕環(huán)境的工程結(jié)構(gòu)，可有效降低因采用各種防腐措施而增加的工程費(fèi)用和日后的養(yǎng)護(hù)成本。

國內(nèi)對玄武巖纖維筋應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)的研究才剛起步，且以高等院校為主，他們對玄武巖筋混凝土的力學(xué)性能開展了一定數(shù)量的試驗(yàn)研究［3］。李炳宏［4］等對截面為200mm×300mm、梁長3m的玄武巖纖維增強(qiáng)塑料筋混凝土梁受彎破壞形態(tài)有限元分析，指出BFRP筋混凝土梁的受彎破壞的破壞截面位于加載點(diǎn)附近；霍寶榮、張向東、宋洋［5］對截面為200mm×300mm、梁長2.06m的玄武巖纖維加筋梁抗彎性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，指出荷載-撓度曲線近似為直線，開裂荷載和極限荷載并沒有得到明顯提高。而從其他文獻(xiàn)來看，對玄武巖筋混凝土梁的抗剪性能研究較少。

表1 玄武巖纖維和其他纖維的主要性能Table 1 The main properties of basalt fiber and other fibers

本文開展玄武巖筋混凝土簡支梁的抗剪性能試驗(yàn)研究，旨在分析不同剪跨比下玄武巖筋混凝土簡支梁的破壞形式、開裂荷載、極限荷載和荷載-撓度關(guān)系等，為其在工程中的應(yīng)用提供一定的參考。

1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)主要研究BFRP筋混凝土梁的受剪性能，構(gòu)件由純彎段、剪彎段和錨固段［6］組成。BFRP筋混凝土梁按照適筋梁進(jìn)行設(shè)計(jì)，以確保構(gòu)件發(fā)生破壞時(shí)，BFRP筋能夠發(fā)揮到其極限拉伸強(qiáng)度的70%以上［7］，使其強(qiáng)度能夠得到充分的利用。

混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級為C30，坍落度55～70mm。實(shí)測7天強(qiáng)度為31.9MPa，28天強(qiáng)度為39.8MPa。試驗(yàn)制作6根試驗(yàn)梁，梁截面尺寸為b×h=100mm×200mm。梁長為分550mm、650mm和1200mm三種，計(jì)算長度分別為450mm、540mm和810mm，每種長度規(guī)格各2根。梁號命名規(guī)則，如G-1200表示底部受拉筋為2根φ8HPB235（X表示底部為2根φ8BFRP筋）、長1200mm的試驗(yàn)梁，上部架立筋均為2φ8的BFRP筋，箍筋間距100mm。

試驗(yàn)中BFRP筋采用江蘇南京海拓復(fù)合材料有限責(zé)任公司的產(chǎn)品，名義直徑8mm，表面形式為肋痕，材料性能如表2所示。

表2 BFRP筋性能Table 2 Properties of BFRP

試驗(yàn)利用分配梁采用三分點(diǎn)加載方式進(jìn)行，在兩端支座梁頂和跨中梁底布設(shè)百分表測讀變形。試驗(yàn)開始時(shí)先進(jìn)行預(yù)壓，消除各部件間接觸不良的影響。加載過程采用分級加載，每級荷載為10kN，當(dāng)加載至理論開裂荷載時(shí)降低加載速度，并觀察裂縫情況。試驗(yàn)中所記錄的內(nèi)容有：初裂荷載、斜截面初裂荷載、極限荷載、各級荷載作用下的撓度及應(yīng)變等。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results

2.2 破壞形態(tài)

由于BFRP筋的材料特性，其混凝土梁的破壞形式有別于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土梁，其破壞位置不是位于純彎段中部附近，而是發(fā)生在分配梁的支座附近。這種破壞形式很大程度上與BFRP筋的材料特征和材料特性有著關(guān)系。首先在純彎段出現(xiàn)豎向裂縫，隨荷載的逐漸增大，剪彎段逐漸出現(xiàn)彎曲裂縫。純彎段豎向裂縫緩慢向上發(fā)展，而剪彎段的斜裂縫發(fā)展很快，靠近支座處的斜裂縫向分配梁集中力作用點(diǎn)方向發(fā)展，而集中力作用點(diǎn)下面的彎曲裂縫則直接向上延伸。當(dāng)荷載接近梁斜截面的極限承載力時(shí)，支座附近的斜裂縫迅速向集中力作用點(diǎn)發(fā)展并貫通，梁斜截面承載力達(dá)到極限而發(fā)生破壞。

BFRP筋混凝土梁的典型破壞形式如圖1所示。

圖1 混凝土梁典型破壞形態(tài)Fig.1 Typical failure modes of concrete beams

2.3 開裂荷載、極限荷載

BFRP筋混凝土梁的開裂荷載和極限荷載如表2所示。在相同的配筋率下，相同梁長的BFRP筋混凝土梁的開裂荷載基本相當(dāng)。由于BFRP筋的彈性模量較低（約為鋼筋彈性模量的20%左右），按照彈性理論，試驗(yàn)梁中BFRP筋換算面積僅占構(gòu)件換算截面總面積的1.3%-1.6%。因此，BFRP筋的換算面積對構(gòu)件換算截面慣性矩的貢獻(xiàn)是相當(dāng)微小的，故其抗裂承載力基本相當(dāng)。

圖2 不同梁長的荷載比較Fig.2 Loads of different length beam

2.4 剪跨比的影響

由表4可知，BFRP筋混凝土梁的斜截面初裂荷載和極限荷載均與剪跨比有關(guān)。根據(jù)文獻(xiàn)［6］，剪跨比在一定范圍內(nèi)減小時(shí)，抗剪強(qiáng)度逐漸提高，本試驗(yàn)亦符合此變化規(guī)律。

分析可知，剪應(yīng)力與縱向彎曲正應(yīng)力組合產(chǎn)生的斜拉應(yīng)力是導(dǎo)致剪切破的真正原因，當(dāng)剪跨比在一定范圍內(nèi)減小時(shí)，有利于提高混凝土梁斜截面的抗剪承載力。對比分析BFRP筋混凝土梁的極限荷載和斜截面初裂荷載可知，隨著剪跨比的減小，斜截面初裂荷載與極限荷載逐漸接近。

表4 剪跨比對抗剪性能的影響Table 4 Affect of shear span ratio on shear behavior

2.5 荷載-撓度曲線

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制BFRP筋混凝土梁試件的荷載-撓度關(guān)系曲線如圖3所示。BFRP筋混凝土梁的荷載-撓度關(guān)系曲線大致可以分為兩段，其轉(zhuǎn)折點(diǎn)即對應(yīng)于構(gòu)件開裂的臨界狀態(tài)。構(gòu)件開裂之前，混凝土梁基本上處于彈性工作狀態(tài)，因而其荷載-撓度關(guān)系基本上呈線性發(fā)展；構(gòu)件開裂以后，由于受拉區(qū)混凝土陸續(xù)退出工作，構(gòu)件撓度開始出現(xiàn)較快的增長，這表現(xiàn)為荷載-撓度關(guān)系曲線發(fā)生轉(zhuǎn)折。基于BFRP筋線彈性的材料性質(zhì)，構(gòu)件開裂后，其荷載-撓度關(guān)系基本上呈線性發(fā)展。

圖3 各梁的荷載-撓度曲線Fig.3 Load-deflection curve of beams

3 結(jié)論

通過6根不同長度和剪跨比的混凝土梁試驗(yàn)，可得到如下結(jié)論：

（1）由于BFRP筋為線彈性材料，沒有屈服流限，BFRP筋混凝土梁均發(fā)生斜截面脆性破壞，破壞位置集中在分配梁支點(diǎn)附近；

（2）在相同的條件下，BFRP筋混凝土梁的初裂抗剪強(qiáng)度隨剪跨比減小逐漸提高；隨剪跨比減小，初裂抗剪強(qiáng)度與極限承載力逐漸接近；

（3）BFRP筋混凝土梁開裂前，構(gòu)件撓度增長緩慢，混凝土開裂后，撓度的發(fā)展明顯加快。

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