FRP筋混凝土連續(xù)梁的抗彎性能

劉忠新

(涿州市交通運(yùn)輸局)

1 概 述

纖維增強(qiáng)聚合物(FRP)具有強(qiáng)度高、重量輕、不生銹、易操作的特點(diǎn)。把FRP 用做加筋材料制成結(jié)構(gòu)構(gòu)件具有極大的吸引力，尤其是當(dāng)構(gòu)件處于腐蝕環(huán)境中時。另外，它還具有抗電解、抗磁化的性能。用FRP 制成板或棒，大有取代鋼筋之勢。

連續(xù)結(jié)構(gòu)在橋梁建設(shè)中應(yīng)用越來越普及，尤其是高等級公路橋梁。連續(xù)梁的負(fù)彎矩區(qū)經(jīng)常暴露在惡劣氣候中，除飽經(jīng)寒暑天氣蹂躪外，還要遭受溶水鹽的侵蝕。因此，負(fù)彎矩鋼筋經(jīng)常受到銹蝕的威脅。使用不生銹的FRP 作為受力筋則可在整個試用期內(nèi)放心使用，并可減少維護(hù)費(fèi)用。

在鋼筋混凝土連續(xù)梁中，應(yīng)力控制截面會發(fā)生應(yīng)力重分布，使結(jié)構(gòu)具有很好的延性，在破壞前可能顯現(xiàn)出很大的變形，以示警告。這種應(yīng)力重分布?xì)w功于鋼筋受拉后表現(xiàn)出的“屈服臺階”。而FRP 則不然，它一直到受拉破壞，變形都是彈性的，從不屈服。這就引起了學(xué)者們得注意，懷疑它是否也能夠進(jìn)行荷載和彎矩重分布。在目前還沒有相關(guān)的規(guī)定。因此，在實(shí)踐中尚不允許在連續(xù)梁中進(jìn)行彎矩重分布。

早期研究認(rèn)為，鋼筋混凝土連續(xù)梁控制截面的彎矩重分布發(fā)生在鋼筋屈服前的正常工作荷載期間。之所以發(fā)生，是由于該截面發(fā)生了非彈性變形活裂縫，以致沿梁長方向的剛度發(fā)生了改變，從而原有的彈性彎矩發(fā)生了改變，即所謂應(yīng)力重分布。研究認(rèn)為，這一過程可分為兩個階段。第一階段是由混凝土出現(xiàn)裂縫開始的;第二階段是由鋼筋的塑性變形引起的。由于FRP 筋(棒)不能表現(xiàn)出塑性變形，可以認(rèn)為，彎矩重分布式由于控制截面的剛度變化和混凝土產(chǎn)生了很小的受壓非彈性變形而發(fā)生的。還有，對于等截面梁，開裂后的剛度大致上與含筋率成正比。從試驗(yàn)得出的開裂后的實(shí)際彎矩圖可以看出，F(xiàn)RP 筋連續(xù)梁是可以進(jìn)行彎矩重分布的。

2 FRP 配筋的混凝土連續(xù)梁的試驗(yàn)

研究共制作了4 根用FRP 配筋的混凝土連續(xù)梁，并進(jìn)行了抗彎試驗(yàn)。其中有兩根GFRP 筋梁(玻璃纖維)，一根CFRP 筋梁(碳纖維)，還有一根鋼筋混凝土梁，以資比較。

鋼筋混凝土梁設(shè)計(jì)成由鋼筋屈服二破壞，即兩個跨中正彎矩和一個支點(diǎn)負(fù)彎截面設(shè)計(jì)成少筋斷面;FRP 筋混凝土梁設(shè)計(jì)成混凝土被壓碎而破壞，這也是加拿大等國規(guī)范中設(shè)定的破壞模式，即在兩個控制截面設(shè)置了較大的配筋率，跨中和支點(diǎn)的含筋率分別為1.2%和2.8%。

CFRP 和GFRP 筋(棒)被穿上了“砂衣”，表面裹以硬砂的FRP 棒增強(qiáng)了它與混凝土之間的粘結(jié)力，把連續(xù)的碳纖維長絲，浸漬在熱固性乙烯基樹脂中，制成了碳纖維棒，其纖維含量為73%(重量比)。

鋼筋混凝土試驗(yàn)梁采用Φ15 的螺紋鋼作為受彎鋼筋。CFRP 棒的抗拉強(qiáng)度為1 590 MPa，相應(yīng)的極限變形為0.012;GFRP 棒的抗拉強(qiáng)度為730 MPa，相應(yīng)的極限應(yīng)變力為0.016;28 d 混凝土強(qiáng)度為30 MPa，抗拉強(qiáng)度為2.7 MPa;所有梁均采用Φ8 鋼筋做箍筋。

3 破壞模式

所有的梁均首先在支點(diǎn)上方出現(xiàn)第一條豎向裂縫。接下來，跨中開始出現(xiàn)相似的豎向裂縫。當(dāng)豎向裂縫慢慢向受壓區(qū)擴(kuò)展時，會陸續(xù)出現(xiàn)新裂縫。之后裂縫開始增加了寬度和深度，并開始傾斜，直至破壞。

鋼筋混凝土連續(xù)梁呈現(xiàn)出傳統(tǒng)的延性特征，中支座上方的負(fù)彎矩筋首先屈服，氣候是跨中的正彎矩筋屈服。隨著荷載的增加，剪力開始影響斜裂縫出現(xiàn)，鋼筋屈服，最終達(dá)到剪拉破壞。CFRP 筋混凝土梁的破壞始自負(fù)彎矩區(qū)的混凝土被壓碎，同時跨中上緣混凝土被壓碎，最后CFRP 棒被拉斷。GFRP 棒混凝土梁的破壞模式相似。之所以在GFRP 棒未達(dá)到其極限應(yīng)變之前而混凝土被壓碎，是因?yàn)閿嗝娌捎昧顺钤O(shè)計(jì)。

4 裂縫寬度和分布

(1)鋼筋混凝土梁的裂縫比較均勻，無論是正彎矩區(qū)還是負(fù)彎矩區(qū)，裂縫間距接近箍筋間距。

(2)玻璃纖維棒混凝土梁GFRP 筋在負(fù)彎矩區(qū)布置較多，比鋼筋混凝土梁的裂縫數(shù)量少。

(3)碳纖維棒混凝土梁，支座上方的裂縫少而寬。

(4)鋼筋混凝土梁在同樣荷載作用下，裂縫寬度約為FRP 筋梁的裂縫寬度的65%。

從使用角度廚房，梁不宜出現(xiàn)過寬的裂縫和過大的撓度。為此，常將鋼筋應(yīng)力控制在屈服應(yīng)力的60%;而對GFRP 和CFRP 的應(yīng)力，建議控制在它們極限強(qiáng)度的25%和65%。

5 撓度計(jì)算

所有試驗(yàn)梁都表現(xiàn)出了“荷載—撓度”的線性特征，一直到裂縫出現(xiàn);隨著荷載的增加，抗彎剛度減小。

由于FRP 混凝土梁的軸向剛度較低，它們會出現(xiàn)較寬的裂縫。因此，它們的撓度也比鋼筋混凝土梁要大。當(dāng)FRP混凝土梁的負(fù)彎矩區(qū)配筋較少，正彎矩區(qū)配筋較多時，梁的撓度會變小。

考慮到使用要求，最大撓度應(yīng)予以限制。加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會提出容許撓度為L/180 ～L/480，可根據(jù)結(jié)構(gòu)類型和功能選用。

撓度計(jì)算的前提是計(jì)算剛度，主要參數(shù)為截面慣矩。美國ACI 規(guī)范提出了“有效慣矩Ie”的概念。該公式源自鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，并用系數(shù)βd進(jìn)行了修正。

式中:Mcr 為開裂彎矩;Ma 為使用荷載彎矩;Ig 為毛截面慣矩;Icr 為開裂截面慣矩;βd為修正系數(shù)(取0.2 ～0.5)

按實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對FRP 筋混凝土梁，計(jì)算Ie時需進(jìn)一步進(jìn)行修正，修正值rG取0.6

6 結(jié) 論

研究共制作了4 片F(xiàn)RP 筋混凝土連續(xù)梁，其中兩片為玻璃纖維棒加筋混凝土梁，一片為碳纖維棒筋混凝土梁;還有一片普通鋼筋混凝土梁，以資比較。在兩跨跨中施加集中荷載直至破壞。試驗(yàn)觀測了實(shí)際成本率和撓度，并與按現(xiàn)行規(guī)范計(jì)算的理論值進(jìn)行了比較。

(1)GFRP 筋混凝土梁在跨中下緣配筋較多，在中支座上緣約有23%的彈性彎矩進(jìn)行了重分布，傳遞給了跨中截面。

(2)采用FRP 配筋的連續(xù)梁可以實(shí)現(xiàn)彎矩重分布，減少跨中撓度，但它限制了結(jié)構(gòu)成本能力的提高。

(3)在GFRP 混凝土連續(xù)梁中，實(shí)現(xiàn)了較大數(shù)量的彎矩重分布，對梁的使用性能沒有出現(xiàn)不利影響。

(4)在抗彎能力相同的情況下，F(xiàn)RP 混凝土連續(xù)梁玉鋼筋混凝土梁相比，撓度大，裂縫寬。

(5)FRP 筋混凝土梁在破壞前出現(xiàn)大變形、大裂縫，充分顯示了預(yù)警信號。

(6)CFRP 筋混凝土連續(xù)梁，同樣也出現(xiàn)了彎矩重分布現(xiàn)象。