钢/BFRP混杂配筋混凝土梁受弯性能试验研究

金元林

(江苏省昆山市水利工程建设管理处，江苏 昆山 215300)

钢筋是增强混凝土结构主要材料，主要原因在于钢筋的弹性模量较高，抗拉强度较大，黏结性能优良。然而，由于混凝土保护层开裂以及施工流程或管理疏忽等因素容易导致钢筋发生锈蚀，尤其在较为恶劣的环境(例如沿海环境)。因此，研究人员采用多种方法来提高钢筋的耐腐蚀性能，比如在钢筋表面涂环氧保护层或通过聚合物增强钢筋[1-2]。然而，这些方法无法完全阻止钢筋出现锈蚀，原因就在于钢筋表面的保护涂层容易发生破损，因此，钢筋仍有可能发生锈蚀。

纤维增强复合材料(FRP)由于其非金属以及耐腐蚀性，被认为是混凝土结构中钢筋的有效替代品，特别是在侵蚀性环境(例如沿海环境)中，从而提高钢筋混凝土的耐腐蚀性能。在建筑结构方向，FRP被广泛应用于结构增强以及外贴加固领域[3-5]。众多学者对FRP增强混凝土结构的受弯性能展开研究，并建议将结构破坏形态定义为混凝土压溃，同时也要避免FRP受拉破坏[6-7]。然而，FRP筋作为一种线弹性材料，纯FRP筋增强混凝土(FRP-RC)梁的破坏形态以混凝土压溃为主，属于典型的脆性破坏而非理想的延性破坏[8-10]。因此，在等效配筋率的条件下，FRP-RC梁的正常使用性能要低于普通钢筋混凝土梁，FRP筋的极限强度得不到充分发挥。此外，尽管纯FRP-RC结构可以减少后期维护的成本，但其初期较高的成本支出也使其成为在增强结构中广泛推广的一个障碍。

为了解决这些问题，FRP筋和钢筋的组合似乎是一种实用且有效的混凝土结构设计解决方案。将FRP筋放置在受拉区的拐角处或外表面附近，并将钢筋置于受拉区的内侧，从而提高混凝土结构的耐久性[11-13]。其中，钢筋可以给结构提供较高的刚度和延性，FRP筋可以提高结构的极限承载力和耐久性[14-15]。在合理的配筋率下，钢/FRP混杂配筋混凝土梁的变形小于FRP-RC梁。钢筋的存在减少了裂缝宽度和裂缝间距值。在正常使用阶段，钢/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梁具有更长的使用寿命。

在所有FRP筋中，玄武岩纤维复合(basalt fiber-reinforced polymer, BFRP)筋不仅具备了普通FRP筋耐久性高、疲劳性能好、强度较高等特点，还比其他FRP筋拥有更高的性价比。在混凝土梁中将钢筋和BFRP筋混合使用，有望在提高混凝土结构耐久性的同时，增强结构的力学性能。因此，为研究钢/BFRP-RC梁的受弯性能，本文对不同配筋率和钢、BFRP面积比的混凝土梁进行试验，并对试验梁的破坏形态、挠度、裂缝发展及耗能等方面的变化特性进行了详细研究。

1 实验概况

1.1 材料

试验中所用的BFRP筋是由连续高性能玄武岩纤维与树脂基体材料复合形成(纤维含量按重量计为70%，常采用拉挤成型工艺)的高性能新型复合材料，筋材表面的肋在拉挤成型时由尼龙条带构造而成。本文所用筋材的力学性能见表1，根据《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)[16]制作的3个混凝土立方体试块(150mm×150mm×150mm)的平均抗压强度fcu为47.9MPa。

表1 BFRP筋和钢筋的材料性能

1.2 试件设计

本试验共设计并制作了5根混凝土梁：1根普通钢筋混凝土梁(RC梁)、1根BFRP增强混凝土梁(FRP-RC梁)和3根钢筋与FRP筋混杂配筋梁(钢/BFRP-RC梁)。其中，RC梁与FRP-RC梁在试验中作为对比梁。在设计试验梁时，按照与钢筋混凝土梁等初始刚度原则进行设计，试样的几何形状见图1(a)。梁总长度为2000mm，荷载跨度为1800mm，截面尺寸为220mm×300mm，保护层厚度为25mm，纵向架立筋采用2根直径10mm的钢筋，箍筋采用直径10mm的钢筋，在纯弯段和弯剪段间距分别为150mm和60mm。其中L4梁的纵向受力筋采用双层等间距布置，其余试件均为单层等间距布置。具体截面参数见表2和图1(b)。表1中的等效配筋率ρeff为各筋材按照与钢筋等刚度原则换算成钢筋面积之后得到的配筋率。

表2 试验构件截面参数

图1 试件设计

1.3 加载装置及测试内容

加载装置见图1(a)，试验采用四点加载方式，通过液压千斤顶施加荷载，并通过分配梁来分配荷载。试验梁屈服前的加载速率为10kN/3min，当钢筋屈服后，加载速率降到5kN/3min，直至构件发生破坏。通过三个电子百分表测量梁底跨中以及两个支座处的挠度，通过裂缝观测仪测量裂缝宽度。试验前，在梁的一侧画上75mm间距的网格线，以便清晰地观测裂缝的发展形态，并通过裂缝观测仪测量裂缝宽度。

2 试验结果分析

2.1 破坏形态分析

图2为各梁的破坏形态。试验中观察到三种破坏模式：ⓐ钢筋屈服后混凝土压溃；ⓑ钢筋屈服后BFRP筋滑移，然后混凝土被压溃；ⓒ混凝土压溃。其中，RC梁属于典型的适筋梁破坏，由图2(a)可以看到梁裂缝的分布较为均匀，挠度变化也相对明显，属于第一种破坏形态。钢/BFRP-RC梁的破坏形态为纯弯段钢筋屈服后，受压区混凝土压溃，见图2(b)梁接近屈服时，可以观察到裂纹的非对称发展，跨中受压区混凝土起皮，并有纤维断裂的咝咝声，梁接近破坏时纤维的断裂声越来越多。其中，L2梁中的FRP筋直径过大，筋材与混凝土之间的黏结强度存在问题，导致L2梁的破坏形态为钢筋屈服后BFRP筋产生滑移，最后混凝土压溃，属于第二种破坏形态。此外，钢/BFRP-RC梁的裂缝数量比RC梁少，其原因在于BFRP筋与混凝土的黏结强度小于钢筋与混凝土的黏结强度[17]。BFRP-RC梁的破坏形态为混凝土压溃，见图2(c)，主要原因在于BFRP作为受拉筋其本身的抗拉强度较大，相应的结构抗弯承载力也较大。此外，本文将试验梁的理想破坏形态设计为弯曲破坏，因此考虑到梁的剪切强度，特意选择了大直径的箍筋并减小了箍筋间距，因此，梁的最终破坏形态为混凝土压溃，属于第三种破坏形态。

图2 不同试件破坏形态

2.2 荷载—挠度分析

每根梁的荷载—挠度曲线(见图3)中有三个关键点：开裂点、屈服点、极限破坏点(BFRP筋断裂或是筋材出现黏结滑移)。这三点将加载过程分为四个阶段：开裂前的弹性阶段、开裂后的使用阶段、BFRP筋发生破坏前的屈服后阶段和BFRP破坏后阶段。混凝土梁的试验值以及相应的破坏形态见表3。

图3 荷载—挠度曲线

与L1梁相比，钢/BFRP-RC梁在钢筋屈服后具有明显的二次刚度。其中L2、L3、L4梁的屈服后刚度斜率相似，但极限荷载有所不同。而本试验中的混杂配筋梁的极限荷载值约为普通钢筋混凝土梁的1.9～2.33倍。此外，BFRP-RC梁(L5梁)的荷载—挠度曲线在开裂之后呈线性关系，相应的极限荷载值约为RC梁(L1梁)的3.26倍。对于混杂配筋梁中的L2梁，当荷载达到180kN时，荷载—挠度曲线的斜率再次下降，已知BFRP筋的极限拉力约为285kN，且直径16mm的BFRP筋在L2梁中的延伸长度不足以实现锚固，因此，当荷载为190kN左右时，试验现场能听到一声巨响，BFRP筋过早地产生滑移，最终导致L2梁的极限荷载值降到与普通钢筋混凝土梁相近的水平。而在峰值荷载过后，混凝土梁中BFRP筋的滑移曲线也和FRP筋与混凝土黏结试验中的观察结果相似[17]，而当FRP断裂(或FRP筋滑移)后，荷载降低到仅内部钢筋有效的水平。此外，L3与L4梁的配筋情况相同(2根直径10mm的钢筋和2根B49，见表2)，但分别采用单层(L3梁)和双层布置(L4梁)。试验结果也表明，L3梁具有较高的抗弯承载力，这是因为L4梁内部双层配筋的方式减小了力臂的高度。

表3 混凝土梁的试验值

2.3 裂缝分析

荷载裂缝宽度曲线见图4。对于L1梁，在荷载不增加的情况下，钢筋屈服后构件裂缝宽度急剧增大，这与跨中挠度的发展趋势相似。对于使用FRP筋增强的混凝土梁，FRP筋刚度可以限制构件裂缝的发展。随着载荷的增加，当出现新的裂纹时，原有的裂纹宽度就会变小。屈服前混杂配筋梁的裂缝宽度较小，约为0.1mm左右，这是由于钢筋与周围混凝土良好的黏结性能，而在钢筋屈服之后，FRP筋提供屈服后刚度，但FRP筋与混凝土的黏结性能较弱，导致裂缝增长加快。此外，对比L3梁与L4梁，虽然两者所选配筋相同，但由于布筋方式有别，其性能上也存在较大差异，特别是在黏结性能方面，单层配筋的间距过小，更容易影响FRP与混凝土的黏结性能。L5为FRP-RC梁，其裂缝发展呈直线分布，荷载从76kN增加到350kN，裂缝宽度由0.2mm增加到0.8mm，跨中梁底附近出现分布众多的细小裂缝，荷载在上下跳跃中缓慢增长。因此对于FRP-RC梁来说，较高的配筋率容易导致梁底纯弯段裂缝数量的增加，但裂缝宽度也会随之减小，这与Lee[9]试验结果得到的结论相似。说明FRP-RC梁的裂缝发展相对稳定。

图4 荷载—裂缝宽度曲线

2.4 耗能—挠度分析

从图5可以看出梁在屈服前的耗能能力相似。梁屈服后，耗能能力与屈服后刚度的大小有关，屈服后刚度越高，耗能能力越好。FRP-RC梁具有较高的刚度值，因此在构件发生破坏前具有较大的耗能能力。对于钢/BFRP-RC梁，破坏前的耗能曲线基本重合，当跨中位移达到39mm时，L3梁的耗能最大，是RC梁的2.15倍。

图5 耗能—挠度曲线

3 结 论

对5根不同类型组合筋混凝土梁进行了4点加载试验。试验梁在屈服前按等初始刚度设计。对其破坏形态、跨中挠度、裂缝发展及耗能等进行了详细研究。根据试验和分析结果，可以得出以下结论：试验中5根混凝土梁的初始刚度值相似，钢/BFRP-RC梁表现出稳定且较大的屈服后刚度值，混杂配筋梁的极限承载力均比钢筋混凝土梁高，大约是普通钢筋混凝土梁的1.9～2.33倍；试验中钢/BFRP-RC梁的破坏模式为钢筋屈服后混凝土压溃，但当FRP直径增大到一定程度时，构件可能在最终破坏前发生FRP筋滑移现象；试验梁弯剪段箍筋间距设为60mm,以此来提高结构的抗剪承载力，从而避免FRP-RC梁发生剪切破坏；钢筋与BFRP筋组合是一种适用于混凝土梁的配筋形式，其耐腐蚀性能与FRP-RC梁相近，但钢/BFRP-RC梁的刚度和延性要优于FRP-RC梁。钢/BFRP-RC梁在极限承载力和耗能能力等方面具有较高的性价比，有利于工程接受和推广。