用HRS筋棒取代钢筋混凝土中的钢筋

赵海明

(石家庄鼎盛交通建设监理咨询有限公司)

1 概 述

用纤维增强聚合物(FRP)修复或加固钢筋混凝土构件加固的最初形式是把碳纤维布(或CFRP 板)粘贴在构件受拉压表面上。目前，这种做法已在全世界范围内流行。近期研究发现，粘贴在混凝土表面上的纤维板很容易开胶、脱落，而开胶时FRP 的应变值远未达到它固有的极限应变值，也就是说，纤维自身还有很大的潜力没有发挥出来。

还有一种使用方式是在预制的FRP 空管内填充混凝土，形成类似钢管混凝土的FRP 管混凝土。近年来，更有一些研究，将FRP 材料制成筋棒，或圆或方，形如钢筋，制成FRP 筋混凝土构件。在德国，已研究成功玻璃纤维预应力筋，取代普通的钢绞线，制成FRP 预应力混凝土构件。

许多材料研究人员对组合筋棒感兴趣，他们着眼于，用几种材料组合起来的筋棒可能得到比单独使用时更好的力学性能;而结构工程师则把组合筋棒作为解决FRP 低延性缺陷的手段。

FRP 做成的筋棒，强度高、重量轻，不生锈，是一种极好的砼加筋材料。FRP 的缺点是延性较差，这几乎是它遭非议的唯一理由。这里提出了制作一种组合断面的筋棒，意在获得较高承载力的同时，又具有较好的延性。

用钢筋(或铝材)作芯棒，周边裹以FRP 纤维，制成的组成筋棒称为HRS(Hybrid reinforcement system)。置HRS 筋棒于混凝土内，作为混凝土梁板的主要受力部件。

HRS 组合断面分为“核心”和“周边”的部分。研究的主要内容和变量有:核心和周边部分的材料类型;周边纤维层数;各种HRS 受弯构件对承载能力的影响;对结构延性的评价;HRS 对裂缝宽度、挠度的影响。试验结构表明，采用HRS 配筋的构件，提高了抗弯能力和开裂弯矩，大大改善了延性，减小了裂缝宽度。

2 HRS 筋棒的构造

HRS 筋棒由两部分组成，一是芯棒，二是周边纤维。芯棒由圆钢(也有用铝棒)担任，周边有各种纤维布(纤维束)围绕，常用的有碳纤维或玻璃纤维(图1)。HRS 的定义是:用两种以上材料组合成整体筋棒，置于混凝土构件中，与砼共同受力。它可以用作为置筋，也可以用作体外筋。不用类型的HRS 棒具有不同的力学性能(表1)。从应力—应变曲线看，外围的碳纤维在达到大约1%的应变时就会破断，之后便由芯棒单独受力。周边纤维可以是单层的，也可以是双层的，纤维含量和层数影响着HRS 的极限强度和屈服强度。这两种材料组合成整体筋棒能够同心协力，共同承受荷载，达到一定变形后，纤维破断，才由芯棒单独受力，直至结构破坏。

核心材料表面涂以环氧树脂，同时用湿法缠绕纤维(碳纤维或玻璃纤维)。芯棒穿上环氧树脂外衣可以避免它和周边纤维直接接触。这是因为二者之间有电位差，可能导致钢材锈蚀。如果芯棒采用铝材，还可能与混凝土中的碱作用，产生不利影响，所以更需穿上树脂外衣。外围纤维一定要被环氧树脂浆液浸透，其纤维方向应与芯棒轴线平行。芯棒采用φ8 圆钢。

表1 HRS 棒类型及力学特性

3 试验结果

3.1 破坏模式

对用HRS 作为主要受力筋的混凝土板进行了荷载试验。板的破坏模式与HRS 的组成有关。所有梁板均属于受弯破坏，都经历了HRS 的屈服阶段。对于只配钢芯棒的普通钢筋混凝土梁板，它的延性破坏特征非常明显，首先出现始自受拉边的裂缝，之后，逐渐向上扩展。其他配有HRS 的梁板也都属于延性破坏，包括以下各种构件:(1)钢芯棒加一层玻璃纤维;(2)钢芯棒加两层玻璃纤维;(3)钢芯棒加两层碳纤维;(4)钢芯棒加一层碳纤维和一层玻璃纤维。它们的破坏都呈现出以下历程:裂缝逐渐向上扩展，由受压边混凝土被压碎而引起破坏。

3.2 挠度特点

在未开裂之前，各种类型的构件挠度差别不大。构件挠度与芯棒、纤维分担力之比有关。同样荷载下，采用钢芯棒的构件比铝芯棒构件的刚度大，挠度明显变小。在有两层碳纤维的HRS 试验中，出现了挠度突然变大的情况，这是由于周边纤维破断所致。

周边纤维的层数明显影响构件挠度，两层玻璃纤维比一层玻璃纤维的情况，挠度减小了50%;两层碳纤维比一层碳纤维情况，挠度减小了67%。

对不同类型的纤维相比发现，在裂缝出现之前，他们的挠度无多大差别;而裂开之后，用碳纤维HRS 时的构件挠度仅为玻璃纤维时的1/3。

3.3 裂缝和极限承载力

采用钢质芯棒的HRS 与铝材芯棒的相比，钢芯棒HRS配筋的梁板，其极限荷载和开裂荷载均较铝材者高，而且裂缝宽度也较小。无论采用哪种HRS 配筋，构件的裂缝宽度与常规的钢筋砼比，裂缝宽度变窄了1/3;而极限荷载则提高了10% ～90%。

在钢筋屈服之前，不同的周边纤维种类对裂缝宽度无多大影响。在同样荷载作用下，碳纤维HRS 筋要玻璃纤维者的裂缝宽度小;两层纤维时要比一层纤维时裂缝变窄。

3.4 延性反应

延性模量的定义为，在结构破坏之前“荷载—挠度”曲线以下所覆盖的面积;结构破坏是指，荷载不变(或下降)时挠度在持续增大。延性模量代表着结构在破坏之前吸收能量的能力。不同种类的HRS 棒配筋的梁板，计算出的延性模量列于表2。

表2 各种HRS 板的延性模量

续表2

从表中可以看出，各种HRS 配筋的梁板，其延性均大大增加;采用玻璃纤维做周边纤维时，比碳纤维者具有更大的延性;两层周边纤维要比一层周边纤维延性大。

4 结 论

(1)在HRS 中，采用钢质芯棒比铝质芯棒好。配有钢芯棒的HRS 构件呈现出弯曲延性破坏;而铝芯棒构件则可能出现脆性破坏。

(2)配有玻璃纤维的HRS 筋构件，与碳纤维者相比，具有更大的挠屈能力。

(3)无论哪种HRS 配筋，与普通钢筋混凝土相比，裂缝宽度均有不同程度的变窄，减小幅度为29% ～75%;用碳纤维HRS 配筋，比玻璃纤维更窄。

(4)周边纤维面积与芯棒面积之比，明显地影响着构件的承载能力。

(5)无论哪种HRS 配筋，构件的极限强度均比普通钢筋砼构造要高，高出范围为54% ～82%。

(6)芯棒与周边纤维承力之比越大，构件挠曲能力越大。

(7)建议在设计用HRS 配筋的构件时，不但要使它比常规构件有更高的承载能力，还要使它具有更好的延性。