BFRP筋混凝土梁受彎性能的試驗(yàn)研究?

田盼盼，沙吾列提拜開依，潘 梅，劉 哲，努爾哈孜居尼斯

(新疆大學(xué) 建筑工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047)

0 前言

鋼筋混凝土梁普遍存在自重偏大、抗裂性差、耐腐蝕性差等問題，尤其鋼筋易銹蝕，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)承載力有很大的威脅.而FRP(Fiber Reinforced Polymer)筋作為一種新型復(fù)合材料，具有抗疲勞、抗磁性、電絕緣性、徐變小、比重小等優(yōu)點(diǎn)，且熱膨脹系數(shù)與混凝土的熱膨脹系數(shù)接近，尤其具有良好的耐腐蝕性，可以用來代替混凝土梁中的部分普通鋼筋，解決由鋼筋銹蝕引起的工程失效問題[1?3]，因此，F(xiàn)RP筋混凝土結(jié)構(gòu)是一種具有良好發(fā)展前景的新型結(jié)構(gòu).

BFRP筋是FRP筋的一種，它是由多股玄武巖纖維與樹脂基體材料結(jié)合，經(jīng)擠壓、拉拔成型等形成的[1?3].BFRP筋具有良好的熱穩(wěn)定性、耐腐蝕性、防火性、抗沖擊性能和輕質(zhì)高強(qiáng)，與樹脂結(jié)合的界面粘結(jié)強(qiáng)度高，尤其是其材料來源廣泛、制造成本低，在價格上比CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer)筋要便宜[4,5]，是經(jīng)濟(jì)實(shí)用的新型材料.目前，國內(nèi)學(xué)者對FRP筋和FRP筋混凝土梁進(jìn)行的試驗(yàn)研究較多，但對BFRP筋和BFRP筋混凝土梁試驗(yàn)研究相對較少.已有的研究成果表明，F(xiàn)RP筋混凝土梁的破壞模式主要有三種形式：適筋破壞、少筋破壞和超筋破壞[6,7].本次試驗(yàn)僅對2組適筋梁和1組超筋梁進(jìn)行試驗(yàn)研究，分別設(shè)計(jì)了BFRP筋混凝土簡支梁試件及相應(yīng)的普通鋼筋混凝土簡支梁對比試件，分析了兩者的開裂彎矩、裂縫特征和裂縫發(fā)展趨勢以及變形情況，為BFRP筋混凝土梁受彎性能設(shè)計(jì)提供一定的參考依據(jù).

1 試件設(shè)計(jì)與制作

1.1 材料力學(xué)性能

BFRP筋采用φ6和φ10，BFRP筋抗拉試樣總長為500 mm，錨固長度為150 mm，用環(huán)氧樹脂粘接和無縫鋼管錨固的方法對其進(jìn)行了基本力學(xué)性能試驗(yàn)[8].由四川航天拓鑫玄武巖實(shí)業(yè)有限公司所提供BFRP筋實(shí)測平均拉伸強(qiáng)度為1 048 MPa（BG1210494-6）.普通縱向受力鋼筋采用HRP335級，鋼筋抗拉試樣總長為500 mm，錨固長度為150 mm.

1.2 試件設(shè)計(jì)

為了方便對比分析，試驗(yàn)先根據(jù)普通鋼筋混凝土梁配筋率和破壞模式之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)了2個普通混凝土適筋梁和1個普通混凝土超筋梁，然后根據(jù)公式(1)設(shè)計(jì)了配筋率與普通鋼筋混凝土梁相近的3個BFRP筋混凝土梁.

式(1)中fy是普通鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；ffy是BFRP筋抗拉強(qiáng)度平均值；AS是縱向受拉鋼筋截面面積；Af是BFRP筋截面面積，b是梁截面寬度，h0是截面有效高度.各試件的配筋如圖1和表1所示.圖1中②筋均采用2φ8，③筋均采用φ6@65.表1中的BF為BFRP筋混凝土梁，BG為普通鋼筋混凝土梁.

圖1 試件配筋示意圖

表1 各梁截面配筋參數(shù)

1.3 試驗(yàn)量測設(shè)置

三組試件均在梁跨中以及兩支座處各安裝一個位移計(jì)，測量跨中撓度和支座位移；在圖1中每根①號筋跨中粘貼應(yīng)變片，測量BFRP筋或鋼筋的應(yīng)變；在梁跨中截面的混凝土頂面、底面及側(cè)面粘貼應(yīng)變片，混凝土應(yīng)變片布置如圖2所示.

1.4 試驗(yàn)加載設(shè)置

試驗(yàn)采用兩點(diǎn)加載，加載位置和裝置如圖1和圖3所示，荷載采用分級加載，荷載分級為開裂前每級20 kN，開裂后每級10 kN，直至梁破壞.試驗(yàn)在新疆大學(xué)建筑工程學(xué)院結(jié)構(gòu)大廳進(jìn)行.數(shù)據(jù)采用DH3818靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)自動采集和記錄.

圖2 混凝土應(yīng)變片布置圖

圖3 梁加載方式圖

2 試驗(yàn)現(xiàn)象與承載力分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象分析

試件BF1、BF2和BF3的裂縫發(fā)展形態(tài)相似，均在梁完全破壞前，出現(xiàn)大量細(xì)微裂縫，且裂縫沿梁長均勻分布，隨著荷載的增加，裂縫逐漸開展變寬，直至完全破壞.從圖4可以看出三個試件的最終裂縫主要是沿梁長均勻分布的豎向裂縫，破壞時，試件裂縫寬度相對同組普通鋼筋混凝土梁較寬.

試件BG1、BG2和BG3的裂縫發(fā)展形狀相似，均在梁完全破壞前，出現(xiàn)較少的細(xì)微裂縫，且裂縫主要集中在梁跨中附近，隨著荷載的增加，裂縫逐漸開展變寬，直到梁完全破壞.從圖4可以看出三個試件最終出現(xiàn)豎向裂縫和斜裂縫，豎向裂縫主要集中在梁跨中附近，斜裂縫主要出現(xiàn)在加載點(diǎn)和支座之間.

圖4 三組試件裂縫圖

2.2 承載力分析

2.2.1 荷載—撓度曲線

三組試驗(yàn)中測定了構(gòu)件兩端及跨中豎向位移，計(jì)算跨中撓度，并繪制了荷載—撓度曲線，即P?f曲線，如圖5所示.由于BFRP筋沒有屈服階段，彈性模量比鋼筋小，因此，BFRP筋混凝土梁P?f曲線與鋼筋混凝土梁P?f曲線差別較大.

圖5 三組試件P?f曲線

BFRP筋混凝土梁的荷載—撓度關(guān)系曲線在截面開裂前期為近似直線，未裂和開裂沒有明顯的界限，但是開裂以后，在加載后期體現(xiàn)出一定的非線性，縱向受拉鋼筋未屈服，仍處于彈性階段，但受壓區(qū)混凝土已被壓碎.BFRP筋抗拉沒有屈服臺階、彈性模量小于鋼筋，因此，BFRP筋混凝土梁P?f曲線沒有明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn).

鋼筋混凝土梁試件，開裂前，混凝土梁剛度較大，撓度變化緩慢，P?f曲線斜率較大，而開裂后，普通鋼筋混凝土梁剛度驟然降低，P?f曲線斜率較小.在配筋率接近的情況下，BFRP筋混凝土梁的極限承載力小于普通鋼筋混凝土梁.BFRP筋混凝土梁受彎承載力與普通混凝土梁相似，配筋率越高其極限承載力越高，如圖6所示.

圖6 試件P?f曲線

2.2.2 正截面受彎承載力計(jì)算

為了方便三組試驗(yàn)的對比，對普通鋼筋混凝土梁和BFRP筋混凝土梁都進(jìn)行了極限荷載理論值的計(jì)算.對于普通鋼筋混凝土梁極限荷載理論值計(jì)算時采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]的計(jì)算方法，計(jì)算超筋梁時，相對受壓區(qū)高度取界限受壓區(qū)高度.其普通鋼筋混凝土試件計(jì)算過程如下

式(2)中α1是試件受壓區(qū)混凝土矩形應(yīng)力圖的應(yīng)力值與混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的比值；fc是實(shí)測混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；b是梁截面寬度；x是試件矩形應(yīng)力圖受壓區(qū)高度；fy是縱向鋼筋實(shí)測抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；As是縱向受拉鋼筋截面面積；式(3)中M是試件彎矩設(shè)計(jì)值；h0是試件截面有效高度；式(4)中Pu是試件極限承載力理論值.

對BFRP筋混凝土梁極限荷載理論值的計(jì)算是用《纖維增強(qiáng)復(fù)合材料建設(shè)工程應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》[10]公式進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算過程如下式(6)中ρf是縱向受力FRP筋的配筋率；ρfb是BFRP筋混凝土梁平衡配筋率；ffd是BFRP筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（按文獻(xiàn)[10]計(jì)算）；式(7)中ffe是BFRP筋的有效設(shè)計(jì)應(yīng)力值；式(9)中ξfb是相對界限受壓區(qū)高度；εcu是非均勻受壓時混凝土極限壓應(yīng)變值；Ef是BFRP筋彈性模量.

三組試件的試驗(yàn)基本參數(shù)如表2所示，試件試驗(yàn)分析計(jì)算結(jié)果如表3所示.

表2 試件試驗(yàn)基本參數(shù)

根據(jù)對BFRP筋混凝土梁破壞模式的定義，三個試件均是ρfb≤ρf，可判斷三個BFRP筋混凝土梁均為超筋破壞，且試件破壞模式也是如此.

表3 試件數(shù)據(jù)分析計(jì)算結(jié)果

表3(Pu為極限荷載理論值)數(shù)據(jù)結(jié)果表明，與同組普通鋼筋混凝土梁相比，BFRP筋混凝土梁的承載力較低，這一點(diǎn)與文獻(xiàn)[11]的試驗(yàn)結(jié)果相似，這是因?yàn)锽FRP筋的彈性模量比普通鋼筋小，因此在荷載不大的情況下會產(chǎn)生較大的撓度和裂縫寬度，BFRP筋強(qiáng)度尚未屈服，而受壓區(qū)混凝土較早壓碎破壞.

對三個BFRP筋梁分別用普通鋼筋混凝土公式和BFRP筋混凝土公式進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明，用BFRP筋混凝土梁公式進(jìn)行計(jì)算，數(shù)據(jù)更接近試驗(yàn)值.

2.2.3 混凝土最大壓應(yīng)變

三組試件的荷載—受壓區(qū)混凝土最大壓應(yīng)變曲線見圖7.同組試件相比，在試件還沒有破壞的區(qū)段中，同級荷載下，BFRP筋混凝土梁的應(yīng)變大于同組的普通鋼筋混凝土的應(yīng)變，這是由于BFRP筋的彈性模量比普通鋼筋小，所以在相同荷載作用下，BFRP筋混凝土梁撓度變形比普通鋼筋混凝土梁撓度變形大.

圖7 三組試件P?εc曲線

2.2.4 平截面假定驗(yàn)證

由圖8所示，梁跨中截面應(yīng)變沿截面高度的分布通過同一點(diǎn)，但是沒有通過截面的形心，中性軸在梁偏上的位置，在加載的每級荷載下，梁跨中截面應(yīng)變沿截面高度基本上呈一條直線，綜合上述分析，BFRP筋混凝土梁跨中截面的應(yīng)變基本上符合平截面假定.

圖8 梁跨中截面混凝土應(yīng)變沿截面高度的分布圖

3 結(jié)論

本文通過對BFRP筋混凝土簡支梁受彎性能的試驗(yàn)研究，得到的結(jié)論如下：

1.與普通鋼筋混凝土梁相比，BFRP筋混凝土梁在荷載作用下裂縫沿全梁均勻分布，且主要為豎向裂縫，而普通鋼筋混凝土梁的裂縫主要分布在跨中，且受剪區(qū)段有明顯的彎剪裂縫；

2.理論值和試驗(yàn)值對比結(jié)果表明，采用BFRP筋混凝土梁的正截面承載力設(shè)計(jì)方法計(jì)算BFRP筋混凝土梁的正截面承載力具有較高的準(zhǔn)確性；

3.與同組的普通鋼筋混凝土梁相比，BFRP筋混凝土梁的承載力較低，主要原因是BFRP筋彈性模量小，在荷載不大的情況下會產(chǎn)生較大的撓度和裂縫寬度，導(dǎo)致受壓區(qū)混凝土較早被壓碎破壞，而BFRP筋的抗拉強(qiáng)度沒有得到充分發(fā)揮，故BFRP筋混凝土梁均發(fā)生了類似超筋破壞.但是，梁最后破壞時其梁的擾度和裂縫寬度也超過了規(guī)范限值，則可以認(rèn)為BFRP筋混凝土梁的最終破壞是由撓度和裂縫控制的，而不是梁的正截面受彎或斜截面受剪承載力控制；

4.梁跨中截面應(yīng)變沿高度的分布情況表明，BFRP筋混凝土梁截面基本符合平截面假定.