BFRP筋鋼纖維部分增強(qiáng)混凝土梁延性性能研究

陳升平 李航宇 張建波 沈偉 董輝

[摘 要]以不同鋼纖維體積率（0，0.5%，1%）和受壓區(qū)的不同鋼纖維混凝土層厚度（180，300）為試驗(yàn)變量，進(jìn)行4根BFRP筋鋼纖維混凝土梁和1根CFRP筋鋼纖維混凝土梁的受彎性能試驗(yàn)。通過分析其破壞特征及破壞機(jī)理，研究了鋼纖維體積率和受壓區(qū)鋼纖維混凝土層的厚度對(duì)其延性性能的提升效果。結(jié)果表明：添加鋼纖維會(huì)顯著提高梁的延性系數(shù)，較未摻加鋼纖維的混凝土梁其延性系數(shù)的提高幅度約可達(dá)7%～42%；受壓區(qū)鋼纖維混凝土層的厚度對(duì)梁的延性系數(shù)也有一定的影響，隨著混凝土層厚度的增加，其延性系數(shù)約可提高30%；CFRP筋對(duì)梁的增強(qiáng)增韌效果優(yōu)于BFRP筋。

[關(guān)鍵詞]FRP筋；鋼纖維；受彎性能；延性性能

[中圖分類號(hào)]TU312[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

傳統(tǒng)的鋼筋混凝土梁開裂時(shí)存在裂縫寬度大、破壞突然、延性較差等缺點(diǎn)，這種突然的破壞對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)會(huì)造成不可估量的損失^[1-2]。為此，研究一種既能提高梁的受彎性能，又能提高梁延性的材料尤為關(guān)鍵。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Fiber Reinforced Plastic，F(xiàn)RP）是往基體材料中增加一定量的纖維而形成的高性能新型材料，用此制作的FRP筋相比鋼筋具有高韌性，抗拉性能好等特點(diǎn)^[3-4]。但由于FRP筋彈性模量低，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈線性^[5]，以及與普通混凝土澆筑裂縫開裂大，延性較低，用FRP筋替代鋼筋，具有其自身的局限性^[6]。往梁中加入鋼纖維，可以高效利用FRP筋對(duì)混凝土的增強(qiáng)增韌作用，增加梁的受彎性能，提高梁的開裂荷載與延性^[7]。

國(guó)內(nèi)大量研究圍繞FRP筋鋼纖維混凝土這種材料進(jìn)行。吳濤等^[8]完成了9根GFRP筋鋼纖維混凝土梁的受彎性能試驗(yàn)，以各國(guó)規(guī)范對(duì)試驗(yàn)梁進(jìn)行開裂彎矩、承載力、撓度的評(píng)估。結(jié)果表明：摻入鋼纖維能有效抑制梁裂縫寬度的延伸，并提高了梁的極限荷載，從而改善了梁的延性性能。徐可等^[9]研究了GFRP筋與普通鋼筋混合配筋對(duì)鋼纖維增強(qiáng)混凝土梁受彎性能的影響。結(jié)果表明：混合配筋模式下，加入鋼纖維的GFRP筋混凝土梁，筋材的抗拉作用得到充分發(fā)揮，進(jìn)一步提高了梁的承載力以及延性。

已有研究表明，部分截面摻加鋼纖維的混凝土梁的增強(qiáng)增韌效果可以達(dá)到全截面摻加鋼纖維的混凝土梁的增強(qiáng)增韌效果^[10]。朱海堂等^[11]完成了12根BFRP筋鋼纖維高強(qiáng)混凝土梁的四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，研究了鋼纖維摻加高度和含量與梁延性之間的關(guān)系。結(jié)果表明：鋼纖維能很好地抑制初裂縫后梁剛度的減少，提高梁的延性性能。陳信展等^[12]研究了7根BFRP筋鋼纖維混凝土梁，分析鋼纖維體積率與鋼纖維摻加高度對(duì)梁受彎破壞程度之間的關(guān)系。結(jié)果表明：摻加了鋼纖維的混凝土梁，其開裂荷載和極限荷載都有一定程度的提升，鋼纖維的存在抑制了裂縫的發(fā)展，有效地提高梁的延性。

上述研究表明，摻加鋼纖維可以有效提高梁的延性性能。但目前的研究主要集中在全截面摻加鋼纖維和受拉區(qū)部分截面摻加鋼纖維這一研究點(diǎn)上，關(guān)于受壓區(qū)的研究還較少。在梁截面部分地加入鋼纖維不僅可以達(dá)到全截面摻加鋼纖維的效果，而且能有效節(jié)約成本，減少鋼纖維的損耗。故本文在上述研究的基礎(chǔ)上，以鋼纖維摻量和受壓區(qū)鋼纖維混凝土層厚度為試驗(yàn)的主要變量，研究其對(duì)鋼纖維混凝土梁延性性能的影響。

1 試驗(yàn)概況

本次試驗(yàn)共設(shè)計(jì)4根BFRP筋混凝土梁和1根CFRP筋混凝土梁作為對(duì)比梁。試驗(yàn)梁的制作有1根BFRP筋混凝土梁（B1）、1根鋼纖維摻量為0.5%的BFRP筋部分鋼纖維混凝土梁（B2）、2根鋼纖維摻量為1%的BFRP筋部分鋼纖維混凝土梁（B3-1，B3-2）、1根鋼纖維摻量為1%的CFRP筋鋼纖維混凝土梁（B4）。試驗(yàn)梁具體截面尺寸如圖1所示。

本次試驗(yàn)選用的筋材為BFRP筋和CFRP筋，這兩種筋材的力學(xué)性能見表1。

本次實(shí)驗(yàn)所選用的水泥為普通硅酸鹽水泥（P.O42.5），Ⅰ級(jí)粉煤灰，適量礦物摻合料，粗骨料粒徑5～20 mm，級(jí)配Ⅱ區(qū)中砂，適量高效減水劑。試件配合比如表2所示。

2 BFRP筋部分鋼纖維混凝土梁受彎試驗(yàn)

本次試驗(yàn)采用逐級(jí)加載的方式，初裂縫開裂前以10 kN的力逐級(jí)加載，開裂后以15 kN的力進(jìn)行逐級(jí)加載，加載設(shè)備見圖2。主要收集的數(shù)據(jù)有：1）跨中撓度；2）頂部混凝土應(yīng)變；3）初裂荷載、極限荷載；4）梁裂縫寬度。本次實(shí)驗(yàn)在梁跨中及其梁端各1/3處設(shè)置位移計(jì)，同時(shí)在梁支座上端也設(shè)置位移計(jì)，用于測(cè)試梁支座位移。

根據(jù)《混凝結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50152-2012^[13]，加載方式為三分點(diǎn)加載，加載詳細(xì)過程如圖2、圖3所示。

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)得到不同纖維摻量和不同纖維高度的部分鋼纖維混凝土梁受彎試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

從表3可以看出：

1）鋼纖維體積率會(huì)顯著影響梁的極限承載力。鋼纖維體積率越大，梁極限承載力的提升越多; 2）鋼纖維在受壓區(qū)混凝土的不同厚度分布也會(huì)對(duì)梁的極限承載力存在一定的影響，經(jīng)試驗(yàn)結(jié)果可以看出鋼纖維摻入率越大，對(duì)混凝土梁的極限壓應(yīng)變提升越多; 3）鋼纖維的摻入會(huì)提高梁的開裂荷載。摻入鋼纖維的混凝土梁的開裂荷載要高于未摻鋼纖維的混凝土梁。

2.2 梁破壞形態(tài)與破壞機(jī)理分析

由圖4可以看出，梁的破壞為受壓區(qū)混凝土的壓碎破壞。試驗(yàn)梁在預(yù)加載階段，其并無明顯變化。隨著荷載緩慢增長(zhǎng)，到達(dá)開裂荷載時(shí)，梁表面下部邊緣開始出現(xiàn)細(xì)小的裂紋。隨著荷載的增加，裂縫沿著分配梁兩端的支座逐漸延伸至梁頂，此階段維持的一段時(shí)間內(nèi)可以聽見“滋滋”的聲響，這是錯(cuò)亂分布的鋼纖維在混凝土內(nèi)部逐漸被拔出的聲音，發(fā)展過程中裂縫繼續(xù)延伸、變寬，且有細(xì)碎的混凝土塊脫落。在即將到達(dá)峰值應(yīng)力時(shí)，梁頂部逐漸開裂，裂縫逐漸向梁中間延伸，破壞特征明顯，并表現(xiàn)出一定的延性。最后伴隨“轟”的巨響，梁頂部混凝土被壓碎，梁宣告破壞。由表3可知，鋼纖維摻入率越高，梁的極限承載力越大，從而使得梁的破壞程度有所減輕，延性越好。而作為對(duì)照組的BFRP筋混凝土梁（B1），在到達(dá)開裂荷載前的現(xiàn)象與鋼纖維混凝土梁相似，但到達(dá)峰值應(yīng)力后，其裂縫延伸速度快，且裂縫寬度大，達(dá)到極限荷載時(shí)，梁頂部破壞突然且迅速，為脆性破壞。

2.3 跨中撓度分析

圖5為不同鋼纖維混凝土梁的跨中撓度。在初裂縫出現(xiàn)以前，梁的跨中撓度增長(zhǎng)緩慢；在裂縫出現(xiàn)以后，跨中撓度有了明顯變化。在相同的荷載條件下，F(xiàn)RP筋混凝土梁隨著鋼纖維含量的增加，撓度隨之變小，呈現(xiàn)出一定的延性。添加了鋼纖維的FRP筋混凝土梁（B2～B4）較未添加鋼纖維的混凝土梁（B1），其跨中撓度要小25%左右。隨著荷載的增加，鋼纖維含量越高，其跨中撓度逐漸減小。影響其跨中撓度的主要因素為鋼纖維含量，而鋼纖維混凝土厚度的影響較小。

3 BFRP筋部分鋼纖維混凝土梁延性計(jì)算方法

添加了鋼纖維的BFRP筋混凝土梁，其極限壓應(yīng)變得到提升，破壞前，裂縫延伸速度較慢，有明顯的破壞征兆。由于BFRP筋從受力-破壞的過程中始終未屈服，故傳統(tǒng)延性指標(biāo)的計(jì)算方法誤差較大^[14]。

根據(jù)延性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，Naaman等^[15]提出了基于能量的延性系數(shù)：

式中，μE為能量延性系數(shù)；Et為加載全過程所消耗的總能量；Ee為加載過程中消耗的彈性能。

能量延性系數(shù)與傳統(tǒng)的延性系數(shù)相比，適用性較廣，可以用于無明顯屈服點(diǎn)的材料體系中，反映了構(gòu)件塑性變形能力。然而，用該方法評(píng)價(jià)FRP筋混凝土構(gòu)件的延性仍會(huì)得到延性不足的結(jié)論^[16]。本文試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼纖維的摻入使得梁的荷載-撓度曲線更加光滑，用該方法所得到的延性結(jié)果并不理想。

祁皚等^[16]考慮了FRP筋高強(qiáng)度的特點(diǎn)，選用綜合延性系數(shù)，考慮構(gòu)件變形能力以及承載能力。該方法認(rèn)為FRP筋混凝土梁在使用階段，混凝土受壓區(qū)邊緣應(yīng)變?nèi)ˇ與=0.001，所用評(píng)價(jià)延性的方法如下：

式中，φu、Mu分別為極限曲率和極限彎矩；φ0.001、M0.001分別為混凝土梁受壓邊緣應(yīng)變時(shí)的曲率和彎矩。

將FRP筋混凝土構(gòu)件的荷載-撓度曲線或荷載-曲率曲線簡(jiǎn)化為直線^[16]，根據(jù)本文的試驗(yàn)結(jié)果，由于鋼纖維與混凝土的增強(qiáng)增韌作用，使得構(gòu)件的荷載-撓度曲線更加圓滑。因此，若使用綜合延性系數(shù)所反映的延性結(jié)果仍有一定的誤差。

美國(guó)ACI440.1R-15規(guī)范^[17]采用的計(jì)算方法考慮構(gòu)件的正常使用極限狀態(tài)，計(jì)算方法為構(gòu)件極限狀態(tài)所需要的能量與構(gòu)件正常使用狀態(tài)所需要的能量的比值，計(jì)算方法較為簡(jiǎn)便，適用性較廣，故本次試驗(yàn)的延性計(jì)算方法采用其規(guī)范建議的計(jì)算方法，算法如下：

式中，Eu為極限狀態(tài)下構(gòu)件所消耗的能量；Escr為正常使用狀態(tài)下構(gòu)件所消耗的能量；μ為美國(guó)規(guī)范ACI提出的延性系數(shù)。

根據(jù)文獻(xiàn)[14]的建議，正常使用狀態(tài)下試驗(yàn)梁跨中撓度取為跨度的1/200。經(jīng)計(jì)算，本次試驗(yàn)的延性系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表4所示。

由表4可以看出，隨著鋼纖維摻量的增加，構(gòu)件的延性系數(shù)也有所提高。對(duì)于部分截面摻加鋼纖維的BFRP筋混凝土梁（B2，B3-1）相比未摻鋼纖維的BFRP筋混凝土梁（B1），其延性系數(shù)約可提高7%～42%；對(duì)于全截面摻加鋼纖維的FRP筋混凝土梁（B3-2，B4）的延性系數(shù)，其提高幅度逐漸增加，相比部分增強(qiáng)混凝土梁（B2，B3-1），其延性系數(shù)約可提高30%，分析其原因是因?yàn)槿孛驿摾w維的摻入，使梁的開裂荷載以及極限承載力得到提高，充分發(fā)揮了FRP筋的增強(qiáng)增韌作用，從而延緩了梁的破壞。從梁（B3-2）和梁（B4）可以看出，CFRP筋鋼纖維混凝土梁的增強(qiáng)增韌效果要高于BFRP筋鋼纖維混凝土梁，對(duì)于延性控制要求嚴(yán)格的工程項(xiàng)目建議采用CFRP筋鋼纖維混凝土梁。

4 結(jié)論

1） 分析研究了梁的的破壞過程與破壞機(jī)理，鋼纖維的摻入可以有效提高梁的開裂荷載、極限承載力與極限壓應(yīng)變，且其提升幅度會(huì)隨著鋼纖維體積率的增加而增加。

2）通過美國(guó)ACI規(guī)范提出的延性系數(shù)指標(biāo)來綜合評(píng)價(jià)FRP筋鋼纖維混凝土梁的延性性能。對(duì)于部分截面摻加鋼纖維的混凝土梁，可以有效提高梁的延性性能，并且隨著鋼纖維體積率的提高而逐漸增加。對(duì)于全截面摻加鋼纖維的混凝土梁，其延性性能相比部分增強(qiáng)混凝土梁也有所提高，約可提高30%。但鋼纖維混凝土層厚度對(duì)梁跨中撓度的影響較小。

3）全截面摻加鋼纖維的FRP筋混凝土梁，筋材選用CFRP筋的增強(qiáng)增韌效果要高于BFRP筋，對(duì)于延性性能控制要求嚴(yán)格的工程項(xiàng)目，筋材建議采用CFRP筋。

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Ductility Performance of Partial Steel Fiber Reinforced

Concrete Beams with BFRP Bars

CHEN Shengping， LI Hangyu， ZHANG Jianbo， SHEN Wei， DONG Hui

（School of Civil Engin.，Architecture and Environment，Hubei Univ.of Tech.，Wuhan 430068，China）

Abstract：The flexural behaviour of 4 BFRP reinforced steel fiber concrete beams and 1 CFRP reinforced steel fiber concrete beam with different steel fiber volume fraction（0， 0.5%， 1%） and different thickness of steel fiber concrete（180， 300） in the compression zone was tested in this paper. The effect of volume fraction of steel fiber and thickness of steel fiber concrete in compression zone on its ductility was evaluated by analyzing its failure characteristics and failure mechanisms. The results show that the ductility coefficient of the beams can be significantly improved by adding steel fiber， and the thickness of steel fiber in the compression zone will influence the ductility coefficient of the beams. Besides， the strengthening and toughening effect of CFRP bars is better than that of BFRP bars.

Keywords：FRP bars；Steel fiber；Bending behavior；Ductility performance

[責(zé)任編校：裴 琴]