玄武巖纖維布加固混凝土梁的抗彎疲勞性能試驗(yàn)

楊勇新，陳緒軍，2，邢建英，汪健根，胡玲

（1.華僑大學(xué)土木工程學(xué)院，福建 泉州 362021；2.九江學(xué)院土木工程與城市建設(shè)學(xué)院，江西 九江 332005）

玄武巖纖維布加固混凝土梁的抗彎疲勞性能試驗(yàn)

楊勇新1，陳緒軍1，2，邢建英1，汪健根1，胡玲1

（1.華僑大學(xué)土木工程學(xué)院，福建 泉州 362021；2.九江學(xué)院土木工程與城市建設(shè)學(xué)院，江西 九江 332005）

通過2根玄武巖纖維布加固的鋼筋混凝土梁和1根普通鋼筋混凝土梁的彎曲疲勞性能試驗(yàn)研究，分析玄武巖纖維布對加固梁抗彎疲勞性能的影響.試驗(yàn)結(jié)果表明，采用玄武巖纖維布進(jìn)行加固后，梁的抗疲勞性能得到極大改善；粘貼1層和2層玄武巖纖維布后，鋼筋混凝土梁的疲勞壽命分別提高了66％和235％，50萬次時(shí)，其疲勞變形分別減小了26.04％和35.40％.在纖維布與混凝土粘結(jié)可靠的情況下，若梁的配筋率不超過2.5％，加固梁發(fā)生鋼筋疲勞斷裂破壞的可能性極大.

玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料；鋼筋混凝土梁；疲勞性能；抗彎；斷裂破壞

目前，國內(nèi)外關(guān)于纖維布加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)和理論研究，主要集中在纖維布加固混凝土梁的靜力性能方面.有關(guān)纖維布加固鋼筋混凝土梁的疲勞性能研究較少，并且主要是針對碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維開展的［1-3］.關(guān)于玄武巖纖維布加固混凝土結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究幾乎是空白的［4-6］，更未見玄武巖纖維布加固鋼筋混凝土梁的疲勞性能試驗(yàn)的相關(guān)報(bào)道.玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（BFRP），是我國自主開發(fā)的一種無機(jī)能自然降解的新型環(huán)保復(fù)合材料，它具有良好的熱絕緣性、隔聲性、抗腐蝕性、無毒性、不燃性和力學(xué)性能［7-8］.研究表明［8］，由連續(xù)玄武巖纖維制成的細(xì)棒，在長期（超過9a）的交變載荷作用下幾乎沒有疲勞破壞的痕跡，可見其抗疲勞性能相當(dāng)優(yōu)越.鑒于此，本文采用玄武巖纖維布加固鋼筋混凝土梁進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，探討玄武巖纖維布對加固梁疲勞性能的影響.

1 試驗(yàn)部分

1.1 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)梁均為矩形截面簡支梁，共3根，其中未加固梁1根，加固梁2根.每根梁的設(shè)計(jì)尺寸（b×h×L）均為100mm×200mm×1 300mm，計(jì)算跨度1 200mm，剪跨為200mm.混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級為C40，實(shí)測立方體抗壓強(qiáng)度56.52MPa.梁中受拉鋼筋為（HPB235）2Ф8mm，設(shè)計(jì)配筋率為0.612％，架立筋為2Ф8mm，箍筋為φ8@100/200mm，鋼筋實(shí)測屈服強(qiáng)度為507.45MPa，極限強(qiáng)度為597.00MPa，彈性模量為206.67GPa.

1.2 加固方案

加固梁的縱向纖維布均粘貼在梁的受拉面，寬為80mm；U型箍的寬為120mm、長為450mm，設(shè)置在縱向纖維布的兩端，各一道.纖維布的實(shí)測力學(xué)性能指標(biāo)：計(jì)算厚度tf為0.111mm，抗拉強(qiáng)度ff為1 859MPa，彈性模量Ef為97.8GPa，極限伸長率為1.9％.梁編號、具體加固方案，如表1所示.表1中：L為纖維布長度；fc為混凝土強(qiáng)度.

1.3 加載制度與測量內(nèi)容

試驗(yàn)梁采用工字型分配梁進(jìn)行兩點(diǎn)對稱加載，加載裝置如圖1所示，加載制度如表2所示.疲勞荷載上限（Pmax）和疲勞荷載下限（Pmin）按照GB 50010-2002《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（以下簡稱《規(guī)范》）及靜載試驗(yàn)梁極限荷載Pu值［4］確定.試驗(yàn)加載程序包括靜載試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)兩個(gè)階段.

表1 試驗(yàn)梁加固方案Tab.1 Strengthening scheme of beams

圖1 加載裝置Fig.1 Loading device

1.3.1 靜載試驗(yàn)階段 在正式試驗(yàn)前先預(yù)加載，預(yù)加載值不超試驗(yàn)梁疲勞荷載上限的30％，以消除加載系統(tǒng)各部分的間隙，并檢查加載系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是否正常.預(yù)載后，進(jìn)行靜載加載，量測鋼筋、纖維布、混凝土的應(yīng)變和梁的撓度，相關(guān)測點(diǎn)布置如圖2所示.

1.3.2 疲勞試驗(yàn)階段 初次靜載后，將加載頻率調(diào)至5Hz；然后，將荷載加至疲勞荷載下限，調(diào)節(jié)脈動量增按鈕，將荷載加至疲勞荷載上限，使梁在頻率5Hz的正弦波下進(jìn)行疲勞試驗(yàn).表2為具體加載制度.當(dāng)疲勞循環(huán)次數(shù)n達(dá)到預(yù)定次數(shù)時(shí)，停機(jī)卸載至零，觀測裂縫，量測鋼筋、纖維布、混凝土的殘余應(yīng)變和梁的殘余撓度；然后，再加靜載至疲勞荷載上限，加載期間量測鋼筋、纖維布、混凝土的應(yīng)變和梁的撓度.當(dāng)疲勞循環(huán)次數(shù)n達(dá)到200萬次而梁還未破壞時(shí)，改變疲勞荷載上限值，重復(fù)以上試驗(yàn)步驟.

表2 疲勞試驗(yàn)加載制度Tab.2 Loading system of fatigue test

圖2 梁測點(diǎn)布置Fig.2 Test positions of beams

2 試驗(yàn)現(xiàn)象

試驗(yàn)梁初次靜力試驗(yàn)荷載加至疲勞荷載上限60kN后，最大裂縫均出現(xiàn)在梁加載點(diǎn)附近；疲勞荷載循環(huán)2萬次后，各梁裂縫寬度均劇增，且新出現(xiàn)裂縫明顯有所增加.10萬次（未加固梁30萬次）以后，裂縫產(chǎn)生，發(fā)展趨于穩(wěn)定，新裂縫基本上不再產(chǎn)生，加固梁的裂縫與靜載試驗(yàn)加固梁［4］一樣，呈現(xiàn)“根須狀”，且數(shù)量多，間距密，寬度小.

當(dāng)疲勞荷載循環(huán)在78.335萬次時(shí)，未加固梁加載點(diǎn)下的一縱筋突然斷裂，梁破壞前沒有任何明顯征兆；加固梁與未加固梁一樣，破壞亦無明顯征兆而突然發(fā)生，發(fā)出巨大爆裂聲，且縱向纖維布均剝離、斷裂.其中：PB1梁兩縱筋在跨中處突然斷裂；PB2梁在加載點(diǎn)內(nèi)側(cè)處兩縱筋突然斷裂.

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 混凝土應(yīng)變分析

試驗(yàn)梁在特定循環(huán)次數(shù)后靜載下測得的混凝土受壓區(qū)應(yīng)變，如圖3所示.由圖3（a）～圖3（c）可見，隨著疲勞荷載循環(huán)次數(shù)的增加，試驗(yàn)梁混凝土應(yīng)變亦增加；無論是加固梁還是非加固梁，其混凝土應(yīng)變在疲勞荷載作用后均呈線性分布.這說明初次靜載后，試驗(yàn)梁的損傷趨于緩和.

由試驗(yàn)結(jié)果可知，疲勞荷載循環(huán)50萬次后，在60kN荷載作用下，粘貼1層玄武巖纖維布的加固梁混凝土壓應(yīng)變比未加固梁減小了22.6％，粘貼2層玄武巖纖維布的加固梁混凝土壓應(yīng)變比未加固梁減小了30.6％.說明，粘貼玄武巖纖維布能夠很好地抑制混凝土裂縫的開展，改善混凝土的疲勞性能.

從50萬次時(shí)各梁混凝土應(yīng)變曲線的斜率可知，在相同次數(shù)的疲勞荷載作用后，未加固梁混凝土損傷最大，而加固梁混凝土損傷則隨纖維布粘貼層數(shù)的增加而減小.這表明，粘貼玄武巖纖維布對延緩混凝土的損傷有積極的作用.

圖3 特定循環(huán)次數(shù)時(shí)荷載-混凝土應(yīng)變曲線Fig.3 Load-concrete strain curves for specific cycles

3.2 鋼筋應(yīng)變分析

鋼筋應(yīng)變隨疲勞荷載循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系，如圖4所示.由圖4（a）～（b）可知，加固梁鋼筋應(yīng)變隨疲勞荷載循環(huán)次數(shù)的增加而增長.試驗(yàn)開始時(shí)，縱筋應(yīng)變曲線變化較顯著，殘余應(yīng)變發(fā)展很快；隨著疲勞荷載重循環(huán)次數(shù)的增加，殘余應(yīng)變趨于穩(wěn)定，曲線靠得較近且接近平行.PB1（PB2）梁在疲勞荷載作用2萬次之后、95（250）萬次之前，鋼筋應(yīng)變發(fā)展緩慢，而200萬次之后，其應(yīng)變劇增，這表明疲勞荷載上限的提高，對鋼筋疲勞性能的影響十分顯著.

從PB1，PB2梁的5萬次和95萬次的應(yīng)變曲線可知，經(jīng)過相同次數(shù)疲勞荷載作用后，粘貼2層玄武巖纖維布的加固梁鋼筋應(yīng)變，比粘貼1層玄武巖纖維布的加固梁鋼筋應(yīng)變平均減少了5.6％.由此可見，要達(dá)到相同的鋼筋應(yīng)變，粘貼2層玄武巖纖維布的加固梁能夠承受的疲勞荷載次數(shù)大于粘貼1層玄武巖纖維布的加固梁能夠承受的疲勞荷載次數(shù).

圖4 特定循環(huán)次數(shù)時(shí)荷載-鋼筋應(yīng)變曲線Fig.4 Load-steel bar strain curves for specific cycles

3.3 梁撓度分析

不同疲勞次數(shù)下試驗(yàn)梁的荷載-撓度曲線表明，在疲勞初期，試件梁的跨中撓度（f）有較大的增加，曲線變化較顯著，殘余撓度發(fā)展很快.隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加，加固梁的撓度較未加固梁更趨于穩(wěn)定，殘余撓度增加非常緩慢，曲線基本上為一簇平行線.

表明，加固梁的耗能效果更理想，從而減緩了內(nèi)部損傷的積累.這是因?yàn)榧庸塘旱膹椥孕阅芨?，其較未加固梁裂縫多而密，外力對其做功所積蓄的變形能以卸載時(shí)可恢復(fù)的彈性應(yīng)變能耗散，以及被更多的裂縫和微裂紋“吸收”，并轉(zhuǎn)化為表面能而釋放出來.

相同循環(huán)次數(shù)下各梁的荷載-跨中撓度曲線比較，如圖5所示.從圖5可以看出，經(jīng)過相同次數(shù)的疲勞荷載作用后，未加固梁的撓度最大，粘貼1層玄武巖纖維布的加固梁的撓度大于粘貼2層玄武巖纖維布的加固梁的撓度，并且隨著荷載的增加，未加固梁撓度的增長速率大于加固梁撓度的增長速率.

在經(jīng)過疲勞荷載循環(huán)50萬次，以及60kN的荷載作用下，PB1，PB2梁的撓度比P0梁撓度分別減小了26.04％，35.40％.由此可見，粘貼2層玄武巖纖維布比粘貼1層玄武巖纖維布更能改善鋼筋混凝土梁的抗疲勞性能.因此，對工程上變形有很高要求且承受動載的結(jié)構(gòu)來說，粘貼纖維布加固可以顯著減小結(jié)構(gòu)的變形.

圖5 特定循環(huán)次數(shù)時(shí)梁荷載-跨中撓度曲線Fig.5 Load-mid span deflection curves for specific cycles

試驗(yàn)梁經(jīng)過疲勞荷載循環(huán)50萬次的試驗(yàn)結(jié)果，如表3所示.表3中：f為撓度；N為疲勞壽命.從表3可知，粘貼玄武巖纖維布能極大地提高鋼筋混凝土梁的疲勞壽命，因此，用玄武巖纖維布加固鋼筋混凝土梁完全能滿足正常使用狀態(tài)下結(jié)構(gòu)耐疲勞性能要求.由于玄武巖纖維布重量輕、耐腐蝕、抗疲勞等良好的物理力學(xué)性能，使得其用于承受動荷載的結(jié)構(gòu)加固具有很大優(yōu)勢.

表3 疲勞荷載循環(huán)50萬次的試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Results for 500 000 fatigue loading cycles

4 試驗(yàn)梁疲勞壽命分析

對于玄武巖纖維布加固的鋼筋混凝土梁，在配筋率相同、纖維布粘結(jié)可靠的情況下，若將纖維布換算成鋼筋，則配筋率將增大，鋼筋的疲勞應(yīng)力將減小，壽命也必然延長.從表3可以看出，粘貼玄武巖纖維布對試驗(yàn)梁的疲勞壽命有顯著影響.

5 結(jié)論

（1）承受疲勞荷載的鋼筋混凝土梁采用玄武巖纖維布加固后，其疲勞抗裂性能得到了較大的改善，裂縫與靜載加固梁相似，亦呈現(xiàn)“根須狀”，數(shù)量多，間距密，寬度小.這對于提高腐蝕環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的疲勞性能具有十分重要的意義.

（2）粘貼1層和2層玄武巖纖維布后，鋼筋混凝土梁的疲勞壽命分別提高了66％和235％，在循環(huán)加載50萬次時(shí)，其疲勞變形分別減小了26.04％和35.40％.

（3）粘貼纖維布對改善鋼筋混凝土梁的抗疲勞性具有十分重要的意義，采用玄武巖纖維布加固鋼筋混凝土梁完全能滿足正常使用狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的耐疲勞性能要求.

（4）在纖維布與混凝土粘結(jié)可靠的情況下，若梁的配筋率不超過2.5％，加固梁發(fā)生鋼筋疲勞斷裂破壞的可能性極大.

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Study on Fatigue Performance of Reinforced Concrete Beams Strengthened with BFRP Sheet

YAN G Yong-xin1，CHEN Xu-jun1，2，XIN GJian-ying1，WAN GJian-gen1，HU Ling1
（1.College of Civil Engineering，Huaqiao University，Quanzhou 362021，China；2.College of Civil Engineering and Urban Construction，Jiujiang University，Jiujiang 332005，China）

The bending fatigue test on one ordinary reinforced concrete beam and two reinforced concrete beams strengthened with basalt fiber polymer sheets（BFRP）is carried out，and the flexural fatigue performance of the reinforced concrete beams strengthened with BFRP is analyzed.The experimental results show that BFRP improves greatly the anti-fatigue performance of the beam.Pasting one layer or two layers of BFRP，the fatigue life of reinforced concrete beams increases by 66％and 235％；the fatigue deformation decreases by 26.04％and 35.40％for 500 thousand cycles.On condition of reliable bound between BFRP and concrete，if，the fatigue fracture of steel bars will occur greatly possibly for the reinforcement ratio less than 2.5％.

basalt fiber polymer sheets；reinforced concrete beam；fatigue behavior；bending；fracture

TU 377.9+40.2

A

1000-5013（2010）04-0443-05

（責(zé)任編輯：錢筠 英文審校：方德平）

2009-07-25

楊勇新（1963-），男，教授級高級工程師，博士后，主要從事結(jié)構(gòu)基本理論及高性能復(fù)合材料的研究.E-mail：yangyongxin@tsinghua.org.cn.

國家科技攻關(guān)（國際合作）項(xiàng)目（2005DFBA0002）