鋼/BFRP混雜配筋混凝土梁受彎性能試驗(yàn)研究

金元林

(江蘇省昆山市水利工程建設(shè)管理處，江蘇 昆山 215300)

鋼筋是增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)主要材料，主要原因在于鋼筋的彈性模量較高，抗拉強(qiáng)度較大，黏結(jié)性能優(yōu)良。然而，由于混凝土保護(hù)層開(kāi)裂以及施工流程或管理疏忽等因素容易導(dǎo)致鋼筋發(fā)生銹蝕，尤其在較為惡劣的環(huán)境(例如沿海環(huán)境)。因此，研究人員采用多種方法來(lái)提高鋼筋的耐腐蝕性能，比如在鋼筋表面涂環(huán)氧保護(hù)層或通過(guò)聚合物增強(qiáng)鋼筋[1-2]。然而，這些方法無(wú)法完全阻止鋼筋出現(xiàn)銹蝕，原因就在于鋼筋表面的保護(hù)涂層容易發(fā)生破損，因此，鋼筋仍有可能發(fā)生銹蝕。

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)由于其非金屬以及耐腐蝕性，被認(rèn)為是混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的有效替代品，特別是在侵蝕性環(huán)境(例如沿海環(huán)境)中，從而提高鋼筋混凝土的耐腐蝕性能。在建筑結(jié)構(gòu)方向，F(xiàn)RP被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)增強(qiáng)以及外貼加固領(lǐng)域[3-5]。眾多學(xué)者對(duì)FRP增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的受彎性能展開(kāi)研究，并建議將結(jié)構(gòu)破壞形態(tài)定義為混凝土壓潰，同時(shí)也要避免FRP受拉破壞[6-7]。然而，F(xiàn)RP筋作為一種線彈性材料，純FRP筋增強(qiáng)混凝土(FRP-RC)梁的破壞形態(tài)以混凝土壓潰為主，屬于典型的脆性破壞而非理想的延性破壞[8-10]。因此，在等效配筋率的條件下，F(xiàn)RP-RC梁的正常使用性能要低于普通鋼筋混凝土梁，F(xiàn)RP筋的極限強(qiáng)度得不到充分發(fā)揮。此外，盡管純FRP-RC結(jié)構(gòu)可以減少后期維護(hù)的成本，但其初期較高的成本支出也使其成為在增強(qiáng)結(jié)構(gòu)中廣泛推廣的一個(gè)障礙。

為了解決這些問(wèn)題，F(xiàn)RP筋和鋼筋的組合似乎是一種實(shí)用且有效的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)解決方案。將FRP筋放置在受拉區(qū)的拐角處或外表面附近，并將鋼筋置于受拉區(qū)的內(nèi)側(cè)，從而提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性[11-13]。其中，鋼筋可以給結(jié)構(gòu)提供較高的剛度和延性，F(xiàn)RP筋可以提高結(jié)構(gòu)的極限承載力和耐久性[14-15]。在合理的配筋率下，鋼/FRP混雜配筋混凝土梁的變形小于FRP-RC梁。鋼筋的存在減少了裂縫寬度和裂縫間距值。在正常使用階段，鋼/BFRP-RC梁相比FRP-RC梁具有更好的使用性能和更低的成本，并且相比普通RC梁具有更長(zhǎng)的使用壽命。

在所有FRP筋中，玄武巖纖維復(fù)合(basalt fiber-reinforced polymer, BFRP)筋不僅具備了普通FRP筋耐久性高、疲勞性能好、強(qiáng)度較高等特點(diǎn)，還比其他FRP筋擁有更高的性?xún)r(jià)比。在混凝土梁中將鋼筋和BFRP筋混合使用，有望在提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的同時(shí)，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。因此，為研究鋼/BFRP-RC梁的受彎性能，本文對(duì)不同配筋率和鋼、BFRP面積比的混凝土梁進(jìn)行試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)梁的破壞形態(tài)、撓度、裂縫發(fā)展及耗能等方面的變化特性進(jìn)行了詳細(xì)研究。

1 實(shí)驗(yàn)概況

1.1 材料

試驗(yàn)中所用的BFRP筋是由連續(xù)高性能玄武巖纖維與樹(shù)脂基體材料復(fù)合形成(纖維含量按重量計(jì)為70%，常采用拉擠成型工藝)的高性能新型復(fù)合材料，筋材表面的肋在拉擠成型時(shí)由尼龍條帶構(gòu)造而成。本文所用筋材的力學(xué)性能見(jiàn)表1，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)[16]制作的3個(gè)混凝土立方體試塊(150mm×150mm×150mm)的平均抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu為47.9MPa。

表1 BFRP筋和鋼筋的材料性能

1.2 試件設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)共設(shè)計(jì)并制作了5根混凝土梁：1根普通鋼筋混凝土梁(RC梁)、1根BFRP增強(qiáng)混凝土梁(FRP-RC梁)和3根鋼筋與FRP筋混雜配筋梁(鋼/BFRP-RC梁)。其中，RC梁與FRP-RC梁在試驗(yàn)中作為對(duì)比梁。在設(shè)計(jì)試驗(yàn)梁時(shí)，按照與鋼筋混凝土梁等初始剛度原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，試樣的幾何形狀見(jiàn)圖1(a)。梁總長(zhǎng)度為2000mm，荷載跨度為1800mm，截面尺寸為220mm×300mm，保護(hù)層厚度為25mm，縱向架立筋采用2根直徑10mm的鋼筋，箍筋采用直徑10mm的鋼筋，在純彎段和彎剪段間距分別為150mm和60mm。其中L4梁的縱向受力筋采用雙層等間距布置，其余試件均為單層等間距布置。具體截面參數(shù)見(jiàn)表2和圖1(b)。表1中的等效配筋率ρeff為各筋材按照與鋼筋等剛度原則換算成鋼筋面積之后得到的配筋率。

表2 試驗(yàn)構(gòu)件截面參數(shù)

圖1 試件設(shè)計(jì)

1.3 加載裝置及測(cè)試內(nèi)容

加載裝置見(jiàn)圖1(a)，試驗(yàn)采用四點(diǎn)加載方式，通過(guò)液壓千斤頂施加荷載，并通過(guò)分配梁來(lái)分配荷載。試驗(yàn)梁屈服前的加載速率為10kN/3min，當(dāng)鋼筋屈服后，加載速率降到5kN/3min，直至構(gòu)件發(fā)生破壞。通過(guò)三個(gè)電子百分表測(cè)量梁底跨中以及兩個(gè)支座處的撓度，通過(guò)裂縫觀測(cè)儀測(cè)量裂縫寬度。試驗(yàn)前，在梁的一側(cè)畫(huà)上75mm間距的網(wǎng)格線，以便清晰地觀測(cè)裂縫的發(fā)展形態(tài)，并通過(guò)裂縫觀測(cè)儀測(cè)量裂縫寬度。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 破壞形態(tài)分析

圖2為各梁的破壞形態(tài)。試驗(yàn)中觀察到三種破壞模式：?鋼筋屈服后混凝土壓潰；?鋼筋屈服后BFRP筋滑移，然后混凝土被壓潰；?混凝土壓潰。其中，RC梁屬于典型的適筋梁破壞，由圖2(a)可以看到梁裂縫的分布較為均勻，撓度變化也相對(duì)明顯，屬于第一種破壞形態(tài)。鋼/BFRP-RC梁的破壞形態(tài)為純彎段鋼筋屈服后，受壓區(qū)混凝土壓潰，見(jiàn)圖2(b)梁接近屈服時(shí)，可以觀察到裂紋的非對(duì)稱(chēng)發(fā)展，跨中受壓區(qū)混凝土起皮，并有纖維斷裂的咝咝聲，梁接近破壞時(shí)纖維的斷裂聲越來(lái)越多。其中，L2梁中的FRP筋直徑過(guò)大，筋材與混凝土之間的黏結(jié)強(qiáng)度存在問(wèn)題，導(dǎo)致L2梁的破壞形態(tài)為鋼筋屈服后BFRP筋產(chǎn)生滑移，最后混凝土壓潰，屬于第二種破壞形態(tài)。此外，鋼/BFRP-RC梁的裂縫數(shù)量比RC梁少，其原因在于BFRP筋與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度小于鋼筋與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度[17]。BFRP-RC梁的破壞形態(tài)為混凝土壓潰，見(jiàn)圖2(c)，主要原因在于BFRP作為受拉筋其本身的抗拉強(qiáng)度較大，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)抗彎承載力也較大。此外，本文將試驗(yàn)梁的理想破壞形態(tài)設(shè)計(jì)為彎曲破壞，因此考慮到梁的剪切強(qiáng)度，特意選擇了大直徑的箍筋并減小了箍筋間距，因此，梁的最終破壞形態(tài)為混凝土壓潰，屬于第三種破壞形態(tài)。

圖2 不同試件破壞形態(tài)

2.2 荷載—撓度分析

每根梁的荷載—撓度曲線(見(jiàn)圖3)中有三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：開(kāi)裂點(diǎn)、屈服點(diǎn)、極限破壞點(diǎn)(BFRP筋斷裂或是筋材出現(xiàn)黏結(jié)滑移)。這三點(diǎn)將加載過(guò)程分為四個(gè)階段：開(kāi)裂前的彈性階段、開(kāi)裂后的使用階段、BFRP筋發(fā)生破壞前的屈服后階段和BFRP破壞后階段?；炷亮旱脑囼?yàn)值以及相應(yīng)的破壞形態(tài)見(jiàn)表3。

圖3 荷載—撓度曲線

與L1梁相比，鋼/BFRP-RC梁在鋼筋屈服后具有明顯的二次剛度。其中L2、L3、L4梁的屈服后剛度斜率相似，但極限荷載有所不同。而本試驗(yàn)中的混雜配筋梁的極限荷載值約為普通鋼筋混凝土梁的1.9～2.33倍。此外，BFRP-RC梁(L5梁)的荷載—撓度曲線在開(kāi)裂之后呈線性關(guān)系，相應(yīng)的極限荷載值約為RC梁(L1梁)的3.26倍。對(duì)于混雜配筋梁中的L2梁，當(dāng)荷載達(dá)到180kN時(shí)，荷載—撓度曲線的斜率再次下降，已知BFRP筋的極限拉力約為285kN，且直徑16mm的BFRP筋在L2梁中的延伸長(zhǎng)度不足以實(shí)現(xiàn)錨固，因此，當(dāng)荷載為190kN左右時(shí)，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)能聽(tīng)到一聲巨響，BFRP筋過(guò)早地產(chǎn)生滑移，最終導(dǎo)致L2梁的極限荷載值降到與普通鋼筋混凝土梁相近的水平。而在峰值荷載過(guò)后，混凝土梁中BFRP筋的滑移曲線也和FRP筋與混凝土黏結(jié)試驗(yàn)中的觀察結(jié)果相似[17]，而當(dāng)FRP斷裂(或FRP筋滑移)后，荷載降低到僅內(nèi)部鋼筋有效的水平。此外，L3與L4梁的配筋情況相同(2根直徑10mm的鋼筋和2根B49，見(jiàn)表2)，但分別采用單層(L3梁)和雙層布置(L4梁)。試驗(yàn)結(jié)果也表明，L3梁具有較高的抗彎承載力，這是因?yàn)長(zhǎng)4梁內(nèi)部雙層配筋的方式減小了力臂的高度。

表3 混凝土梁的試驗(yàn)值

2.3 裂縫分析

荷載裂縫寬度曲線見(jiàn)圖4。對(duì)于L1梁，在荷載不增加的情況下，鋼筋屈服后構(gòu)件裂縫寬度急劇增大，這與跨中撓度的發(fā)展趨勢(shì)相似。對(duì)于使用FRP筋增強(qiáng)的混凝土梁，F(xiàn)RP筋剛度可以限制構(gòu)件裂縫的發(fā)展。隨著載荷的增加，當(dāng)出現(xiàn)新的裂紋時(shí)，原有的裂紋寬度就會(huì)變小。屈服前混雜配筋梁的裂縫寬度較小，約為0.1mm左右，這是由于鋼筋與周?chē)炷亮己玫酿そY(jié)性能，而在鋼筋屈服之后，F(xiàn)RP筋提供屈服后剛度，但FRP筋與混凝土的黏結(jié)性能較弱，導(dǎo)致裂縫增長(zhǎng)加快。此外，對(duì)比L3梁與L4梁，雖然兩者所選配筋相同，但由于布筋方式有別，其性能上也存在較大差異，特別是在黏結(jié)性能方面，單層配筋的間距過(guò)小，更容易影響FRP與混凝土的黏結(jié)性能。L5為FRP-RC梁，其裂縫發(fā)展呈直線分布，荷載從76kN增加到350kN，裂縫寬度由0.2mm增加到0.8mm，跨中梁底附近出現(xiàn)分布眾多的細(xì)小裂縫，荷載在上下跳躍中緩慢增長(zhǎng)。因此對(duì)于FRP-RC梁來(lái)說(shuō)，較高的配筋率容易導(dǎo)致梁底純彎段裂縫數(shù)量的增加，但裂縫寬度也會(huì)隨之減小，這與Lee[9]試驗(yàn)結(jié)果得到的結(jié)論相似。說(shuō)明FRP-RC梁的裂縫發(fā)展相對(duì)穩(wěn)定。

圖4 荷載—裂縫寬度曲線

2.4 耗能—撓度分析

從圖5可以看出梁在屈服前的耗能能力相似。梁屈服后，耗能能力與屈服后剛度的大小有關(guān)，屈服后剛度越高，耗能能力越好。FRP-RC梁具有較高的剛度值，因此在構(gòu)件發(fā)生破壞前具有較大的耗能能力。對(duì)于鋼/BFRP-RC梁，破壞前的耗能曲線基本重合，當(dāng)跨中位移達(dá)到39mm時(shí)，L3梁的耗能最大，是RC梁的2.15倍。

圖5 耗能—撓度曲線

3 結(jié) 論

對(duì)5根不同類(lèi)型組合筋混凝土梁進(jìn)行了4點(diǎn)加載試驗(yàn)。試驗(yàn)梁在屈服前按等初始剛度設(shè)計(jì)。對(duì)其破壞形態(tài)、跨中撓度、裂縫發(fā)展及耗能等進(jìn)行了詳細(xì)研究。根據(jù)試驗(yàn)和分析結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：試驗(yàn)中5根混凝土梁的初始剛度值相似，鋼/BFRP-RC梁表現(xiàn)出穩(wěn)定且較大的屈服后剛度值，混雜配筋梁的極限承載力均比鋼筋混凝土梁高，大約是普通鋼筋混凝土梁的1.9～2.33倍；試驗(yàn)中鋼/BFRP-RC梁的破壞模式為鋼筋屈服后混凝土壓潰，但當(dāng)FRP直徑增大到一定程度時(shí)，構(gòu)件可能在最終破壞前發(fā)生FRP筋滑移現(xiàn)象；試驗(yàn)梁彎剪段箍筋間距設(shè)為60mm,以此來(lái)提高結(jié)構(gòu)的抗剪承載力，從而避免FRP-RC梁發(fā)生剪切破壞；鋼筋與BFRP筋組合是一種適用于混凝土梁的配筋形式，其耐腐蝕性能與FRP-RC梁相近，但鋼/BFRP-RC梁的剛度和延性要優(yōu)于FRP-RC梁。鋼/BFRP-RC梁在極限承載力和耗能能力等方面具有較高的性?xún)r(jià)比，有利于工程接受和推廣。