箍筋類型對GFRP筋增強混凝土梁性能的影響

盧 利，周 振，周浩然，陳 葦*，麥廣浩

（1、廣東永和建設(shè)集團有限公司 廣東茂名 525499；2、廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院 廣州 510006）

0 引言

鋼筋混凝土是房屋建筑工程、道路橋梁工程及海洋工程等建筑工程領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的材料之一［1］。然而，鋼筋存在著易受銹蝕的問題，導(dǎo)致混凝土梁結(jié)構(gòu)性能劣化乃至過早破壞［2-3］。如何有效地解決鋼筋銹蝕、提高結(jié)構(gòu)的耐久性等問題是當(dāng)前關(guān)注的熱點［4-5］。研究發(fā)現(xiàn)采用纖維復(fù)合材料（Fiber Reinforced Polymer，簡稱“FRP”）部分代替或完全代替鋼筋能有效解決此類問題［6］。纖維增強復(fù)合材料是由連續(xù)纖維和樹脂復(fù)合而成的高性能材料，具有輕質(zhì)高強、耐腐蝕、易于使用等優(yōu)點，在土木工程領(lǐng)域被廣泛接受和應(yīng)用［7］。FRP 筋主要包括碳纖維增強聚合物（CFRP）筋、玻璃纖維增強聚合物（GFRP）筋和玄武巖纖維增強聚合物（BFRP）筋等。其中，GFRP 使用成本較低，實際工程應(yīng)用價值高，是工程和研究領(lǐng)域中最常使用的筋材［8］。近年來，采用GFRP 筋替代鋼筋成為解決鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋腐蝕問題的主要方案之一［9］。

混凝土梁在荷載作用下受剪力和彎矩的共同作用。在混凝土梁中配置縱向鋼筋可以保證其抗彎承載力，沿著鋼筋混凝土梁的縱軸方向，按合適的間距布置箍筋，不僅滿足施工構(gòu)造的需要，還能用于承受外荷載作用下所產(chǎn)生的剪力。

在國內(nèi)，有關(guān)GFRP 箍筋混凝土梁承載能力的研究較少。王洋等人［10］的研究表明，與鋼筋混凝土梁相比，相同配筋率GFRP 筋混凝土梁在受壓區(qū)混凝土被壓碎時變形更大，但抗彎承載力更高，而箍筋對混凝土梁的抗剪起到關(guān)鍵作用；張曉亮等人［11］對無腹筋的GFRP 筋梁體構(gòu)件展開了抗剪承載力試驗研究，試驗結(jié)果表明，配筋率相同的GFRP 筋和普通鋼筋梁體構(gòu)件的受剪承載能力基本一樣；HEGGER 等人［12］對含GFRP 箍筋的梁體進行了受剪試驗，發(fā)現(xiàn)GFRP 箍筋的配筋率不同，箍筋將會出現(xiàn)拉斷或壓碎兩種不同的破壞形態(tài)；黃偉等人［13］對配有GFRP 箍筋的混凝土梁進行了抗剪承載力試驗研究，GFRP 箍筋混凝土梁體的受彎裂縫寬度值及跨中撓度值要比普通鋼箍筋混凝土梁的大，當(dāng)梁體的剪跨區(qū)有斜裂縫之后，由于GFRP 箍筋的低彈模性，其裂縫的發(fā)展速率要比相同配箍率條件下的鋼箍筋混凝土梁大。

考慮不同箍筋類型對GFRP筋混凝土梁的承載力影響的研究更是寥寥無幾。劉軍等人［14］比較了GFRP傳統(tǒng)螺紋箍筋和鋼箍筋發(fā)揮作用的差異，發(fā)現(xiàn)采用鋼箍筋的梁，箍筋對斜裂縫的限制能力更強，減緩了臨界斜裂縫的出現(xiàn)，比GFRP 箍筋梁具有更高的抗剪承載力，對于GFRP傳統(tǒng)螺紋箍筋而言，在箍筋轉(zhuǎn)角處會出現(xiàn)纖維損傷，使得箍筋難以達到理想的約束效果；DONG 等人［15］提出了一種新型的GFRP 封閉纏繞式箍筋——GFRP 管切割箍筋，并應(yīng)用在GFRP 筋混凝土柱的軸壓實驗中。實驗結(jié)果表明采用這種新型箍筋的混凝土柱達到相等的承壓能力之余，還大幅提升了延性，也避免了傳統(tǒng)螺紋箍筋纖維損傷等問題。

目前，GFRP 管切割箍筋在FRP 筋混凝土梁的應(yīng)用和相關(guān)研究還十分有限?；诖?，本文對不同箍筋類型的GFRP 筋混凝土梁進行承載力試驗研究，分析不同箍筋類型的GFRP筋混凝土梁的破壞模式和應(yīng)變狀態(tài)，比較不同箍筋類型對GFRP 筋混凝土梁承載性能的影響。

1 試驗方案

1.1 原材料

本試驗的梁底縱筋和箍筋均采用GFRP筋，GFRP縱筋和GFRP 箍筋的材料為廠家生產(chǎn)的同一批次，具體規(guī)格如下：梁底部縱筋的直徑為14 mm，梁上部的受壓GFRP筋以及GFRP傳統(tǒng)螺紋箍筋直徑為10 mm，GFRP管切割箍筋，壁厚度8 mm，內(nèi)徑60 mm×140 mm。按照《纖維增強塑料拉伸性能試驗辦法：GB/T 1447—2005》［16］中的相關(guān)規(guī)定，對4 組GFRP 筋材進行拉伸試驗，取試驗結(jié)果的平均值，得到的GFRP筋材主要力學(xué)性能如表1所示。

表1 GFRP筋力學(xué)性能Tab.1 Mechanical Properties of GFRP Reinforcement

本試驗采用海水海砂混凝土，制備的原材料包含模擬海水、普通硅酸鹽水泥、海砂和花崗巖礫石。根據(jù)規(guī)范《建設(shè)用砂：GB/T 14684—2011》和《建設(shè)用卵石、碎石：GB/T 14685—2011》，對海砂和花崗巖礫石進行材性試驗，結(jié)果如下：海砂為細(xì)骨料，細(xì)度模數(shù)為2.1，顆粒級配0.01～5 mm，表 觀 密 度 為2 050 kg/m2，含 水 率 為6.22%；花崗巖礫石為粗骨料，顆粒級配4.76～16 mm，表觀密度為2 050 kg/m2，壓碎指標(biāo)為21%。海水海砂混凝土水灰比為0.5，砂率為36%，其配合比為模擬海水∶普通硅酸鹽水泥∶海砂∶花崗巖礫石=205∶410∶643∶1 142。為測得海水海砂混凝土的抗壓強度和彈性模量，共制備了3個標(biāo)準(zhǔn)混凝土試件，并取試驗結(jié)果平均值，得到混凝土的抗壓強度和彈性模量分別為62 MPa和36 GPa。

1.2 GFRP筋混凝土梁的設(shè)計與制作

本試驗共設(shè)計并制備了3 根GFRP 筋混凝土梁，其中2 根采用GFRP 傳統(tǒng)螺紋箍筋，編號為試件A 和試件B，1 根采用新型GFRP 管切割箍筋，編號為試件C。所有試件的尺寸均為1 350 mm×120 mm×200 mm，梁的跨中純彎段設(shè)置為300 mm。梁上部設(shè)有直徑為10 mm 受壓縱筋，梁底部設(shè)有兩層直徑均為14 mm 的受拉縱筋，純彎段的箍筋間距為100 mm，剪切段箍筋間距為50 mm，如圖1所示。試件A和B的保護層厚度分別為20 mm和15 mm。試件C的保護層厚度20 mm，試件的GFRP 管切割箍筋截面尺寸如圖2 所示。GFRP 筋混凝土梁試件制作流程為：先制備GFRP 筋籠，并在GFRP 筋上粘貼應(yīng)變片，然后將GFRP 筋籠放入木模中，最后進行試驗梁的澆筑與養(yǎng)護，養(yǎng)護時間持續(xù)28 d。

圖1 GFRP筋混凝土梁試件尺寸Fig.1 Dimensions of GFRP Reinforced Concrete Beam Specimens （mm）

圖2 GFRP管切割箍筋截面尺寸Fig.2 Cross Section Size of GFRP Pipe Cutting Stirrup （mm）

1.3 試驗裝置和測量方案

本次試驗使用萬能試驗機對GFRP筋混凝土梁進行加載，如圖3 所示。加載設(shè)備先將荷載作用在分配梁上，由分配梁轉(zhuǎn)化為兩個集中力，作用于GFRP筋混凝土梁的中間。兩個集中力的距離為400 mm。根據(jù)試驗要求，梁試件的整個加載過程由位移控制，加載速度為0.5 mm/min，直至梁發(fā)生破壞，具體的測量方案如下：①在梁試件支座、跨中、以及集中力加載點處，共布置5 個位移計，測量梁試件撓度；②在梁試件的頂部跨中布置2 個應(yīng)變片，用于獲取試件的壓縮應(yīng)變，同時在梁底部跨中的對應(yīng)位置布置兩個應(yīng)變片，用于獲取試件的拉伸應(yīng)變；③在梁試件的跨中位置沿高度方向等間距布置4 個應(yīng)變片，用于監(jiān)測混凝土表面的應(yīng)變隨高度的變化情況；④在受拉GFRP 縱筋的中間布置應(yīng)變片，用于獲取GFRP縱筋的受拉應(yīng)變。

圖3 萬能試驗機Fig.3 Universal Testing Machine

2 斜裂縫開展分析

在本次試驗中，不同箍筋類型的GFRP 筋混凝土梁的裂縫發(fā)展趨勢和分布情況如圖4所示。在加載初期，各試件均未出現(xiàn)裂縫；當(dāng)荷載繼續(xù)加大時，梁純彎段底部開始出現(xiàn)細(xì)微的裂縫，沿垂直方向往梁頂部發(fā)展，裂縫的高度約為梁高的一半，表明此時梁受到純彎曲作用；然后荷載進一步加大，裂縫數(shù)量增加，斜向裂縫開始出現(xiàn)，斜裂縫由梁試件底部支座處向加載位置延伸；最后梁加載端部混凝土發(fā)出破碎的響聲，混凝土被壓碎，斜裂縫寬度迅速增大，此時梁被破壞，失去承載力。

圖4 裂縫分布Fig.4 Crack Distribution

各試件梁的裂縫寬度數(shù)據(jù)如表2所示，可知，試件B 裂縫寬度平均值和最終裂縫寬度值均小于試件A，說明試件B 裂縫寬度控制能力稍高于試件A；試件C的最終裂縫寬度值和裂縫寬度平均值均大于試件A和試件B，說明新型GFRP 管切箍筋對裂縫抑制能力小于傳統(tǒng)的GFRP螺紋箍筋。

表2 梁試件的裂縫寬度Tab.2 Crack width of Beam Specimens

3 破壞模式

3根梁試件的箍筋類型不同，其破壞模式也不同，如表3和圖5所示。對于使用GFRP傳統(tǒng)螺紋箍筋的試件A和試件B，開裂荷載值相近，分別是23 kN和21 kN。梁裂縫的分布范圍均被控制在剪切區(qū)至純彎曲區(qū)內(nèi)。最后一批裂縫從梁試樣底部向加載位置發(fā)展，并有穿透整個梁截面的趨勢。試件A 和試件B 表現(xiàn)出彎曲破壞模式，梁頂部混凝土被壓碎，如圖5?、圖5?所示，極限載荷分別為151.03 kN和153.52 kN。

圖5 梁試件的彎曲和剪切破壞模式Fig.5 Bending and Shear Failure Modes of Beam Specimens

表3 梁試件的破壞模式Tab.3 Failure Modes of Beam Specimens

對于箍筋類型為GFRP 管切割箍筋的梁試件C，開裂荷載約為11 kN。由實驗結(jié)果可以看出，梁試件C的裂縫分布范圍更大，在加載后期，出現(xiàn)的裂縫已經(jīng)達到了梁底支座處，并從支座處貫穿至加載位置。梁試件C 最終破壞模式為剪切破壞，如圖5?所示，其極限載荷為128.19 kN。

由試驗現(xiàn)象可知，箍筋類型對GFRP 筋混凝土梁的開裂和破壞模式有著顯著影響。相較于GFRP傳統(tǒng)螺紋箍筋，GFRP 管切割箍筋對混凝土約束能力較弱，導(dǎo)致開裂荷載和極限荷載值低，試件的破壞模式從彎曲破壞變成剪切破壞。另一方面，試件B 的混凝土保護層厚度比試件A 小，但其極限承載力變化不大，說明混凝土保護層厚度增加對GFRP筋混凝土梁承載能力的提升效果不顯著。

4 應(yīng)變分析

4.1 混凝土沿高度方向應(yīng)變狀態(tài)

各試件梁跨中的混凝土應(yīng)變沿截面高度變化曲線如圖6 所示。對于試件A 和試件B，在荷載達到15 kN之前，試件的應(yīng)變與截面高度呈線性關(guān)系，符合平截面假定，在荷載達到20 kN時，平截面假設(shè)失效。對于試件C，從加載開始，試件的應(yīng)變與截面高度沒有明顯的線性關(guān)系，表明對GFRP管切割箍筋，平面截面假定基本不再適用，且當(dāng)試件開裂后，試件C 的中性軸向上移動比試件A 和試件B 都要明顯。由試件跨中沿截面高度混凝土應(yīng)變狀態(tài)可以看出，箍筋類型對平面截面假定有顯著影響。

圖6 梁試件的應(yīng)變狀態(tài)Fig.6 Strain State of Beam Specimens

4.2 混凝土截面頂部的受壓應(yīng)變狀態(tài)

各試件梁頂部混凝土受壓應(yīng)變隨荷載的變化曲線如圖7 所示。從加載到試件破壞，荷載與梁試件頂部混凝土的受壓應(yīng)變呈線性關(guān)系。

圖7 梁試件的混凝土頂部受壓應(yīng)變Fig.7 Top Compressive Strain of Concrete in Beam Specimens

在加載初期，當(dāng)荷載水平相同時，試件C 應(yīng)變稍大于試件A、試件B。隨著荷載增大，達到開裂荷載后，試件A 的荷載-應(yīng)變曲線斜率明顯降低，但仍呈線性關(guān)系，此階段后，在相同的荷載水平下，試件A 的應(yīng)變最大。由試件的荷載-混凝土受壓應(yīng)變曲線可知，對于相同箍筋類型的試件，在相同荷載作用下，保護層厚度越小，其頂部混凝土的受壓應(yīng)變越大；對于保護層厚度相同的箍筋，在相同荷載作用下，傳統(tǒng)GFRP螺紋箍筋試件的混凝土受壓應(yīng)變比GFRP管切割箍筋梁試件稍大。相比于混凝土梁的保護層厚度，不同箍筋對混凝土受壓應(yīng)變的影響并不顯著，試驗中兩種不同的箍筋類型對梁的約束在梁頂部混凝土體現(xiàn)的效果大致相當(dāng)，說明箍筋類型不是影響混凝土受壓能力的主要因素。

4.3 GFRP縱筋的受拉應(yīng)變狀態(tài)

各梁試件底部GFRP縱筋的荷載-應(yīng)變曲線如圖8所示，由圖8 可知，GFRP 縱筋荷載-應(yīng)變曲線均呈線性增長，各試件的荷載-縱應(yīng)變曲線發(fā)展斜率相近。在梁試件開裂之前，GFRP 縱筋的應(yīng)變值非常小，應(yīng)變發(fā)展十分緩慢。當(dāng)混凝土開裂時，出現(xiàn)應(yīng)力重分布，受拉區(qū)混凝土失效，GFRP 縱筋承擔(dān)了所有的受拉作用，故GFRP 縱筋的受拉應(yīng)變迅速增加，但GFRP 縱筋荷載-縱應(yīng)變曲線仍呈現(xiàn)明顯的線性變化，這與GFRP筋材是線彈性材料有關(guān)?？偟膩碚f，各試件的GFRP縱筋受拉應(yīng)變比較接近。在相同荷載水平下，使用傳統(tǒng)箍筋形式的梁的縱筋應(yīng)變小于使用GFRP管切割箍筋的梁的縱筋應(yīng)變，說明試件開裂后，使用傳統(tǒng)箍筋類型的梁試件整體剛度稍大于使用GFRP管切割箍筋的梁試件。

圖8 梁試件底部GFRP縱筋的受拉應(yīng)變Fig.8 Tensile Strain of GFRP Longitudinal Reinforcement at the Bottom of the Beam Specimen

5 荷載-位移曲線

梁試件的荷載-位移曲線如圖9 所示?？梢钥闯觯髟嚰е?，其荷載-位移曲線均呈現(xiàn)出明顯的雙線性關(guān)系。在加載初期，由于梁底部GFRP 縱筋和混凝土之間的共同作用，梁試件抗彎剛度較大。當(dāng)達到開裂荷載時，受拉區(qū)混凝土失效，梁抗彎剛度大幅下降，全部拉力由GFRP縱筋承擔(dān)。試件開裂后，荷載-位移曲線斜率減少，但直到試件破壞前，其荷載-位移曲線仍然保持著明顯的線性特征，這與GFRP 筋本身線彈性特征有關(guān)。各梁試件在同一荷載水平下的位移值相差不大，說明箍筋類型對梁跨中撓度影響較小。當(dāng)荷載繼續(xù)加大，達到構(gòu)件的極限荷載時，梁試件迅速塌陷，顯示出脆性特征。由此試驗結(jié)果可知，箍筋類型不是影響梁抗彎剛度的主要因素，新型GFRP 管切割箍筋對比GFRP 傳統(tǒng)螺紋箍筋，對梁的延性沒有明顯增強效果。但不同箍筋類型對梁的破壞模式和承載力具有一定的影響。

圖9 梁試件的荷載-位移曲線Fig.9 Load Displacement Curve of Beam Specimens

6 結(jié)論

本文對不同箍筋類型的GFRP筋混凝土梁的承載能力進行了試驗研究，得出以下結(jié)論：

⑴不同的箍筋類型對GFRP 筋混凝土梁的破壞模式具有十分顯著的影響。在合適的配筋率下，使用GFRP 螺紋箍筋的梁呈現(xiàn)彎曲破壞，而使用GFRP 管切割箍筋的梁呈現(xiàn)剪切破壞。

⑵不同的箍筋類型對GFRP 筋梁頂部混凝土受壓應(yīng)變的影響并不顯著。試驗中兩種不同的箍筋類型對梁的約束在梁頂部混凝土體現(xiàn)的效果大致相當(dāng)，說明箍筋類型不是影響混凝土受壓能力的主要因素。

⑶使用GFRP 管切割箍筋的梁構(gòu)件的整體剛度略小于使用GFRP 傳統(tǒng)螺紋箍筋的梁，梁的應(yīng)變狀態(tài)從加載早期開始就不符合平截面假定。同時，混凝土過早的開裂使得該梁中的GFRP縱筋的受拉應(yīng)變快速地增加。對比傳統(tǒng)螺紋箍筋和管切割箍筋，傳統(tǒng)螺紋箍筋的梁承載力和延性更好。