玄武巖纖維與碳纖維加固連續(xù)梁抗彎試驗研究

歐陽利軍，丁 斌，陸洲導，余江滔

（1.同濟大學 航空航天與力學學院，上海200092；2.同濟大學 土木工程學院，上海200092；3.溫州職業(yè)技術學院 建筑工程系，浙江 溫州325035）

玄武巖纖維復合材料（BFRP）是一種新型無機纖維復合材料.玄武巖纖維與目前使用較為廣泛的碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維相比具有較強的綜合性能［1－4］：①抗拉強度較高（國產玄武巖纖維布抗拉強度已達到2 300MPa）；②延性好（約為碳纖維的1.5倍）；③耐高溫和耐腐蝕性能較強；④價格低廉（約為碳纖維的1／5～1／6）；⑤綠色環(huán)保（通過玄武巖熔融后物理加工而成）.玄武巖纖維復合材料將在工程結構加固領域具有良好的應用前景［5］.

纖維復合材料加固連續(xù)梁在既有混凝土框架結構加固工程中的應用非常普遍.混凝土連續(xù)梁在荷載作用下會發(fā)生內力重分布，局部會形成塑性鉸，結構的內力按各截面之間的剛度比值分配.當各控制截面出現(xiàn)塑性鉸后，連續(xù)梁發(fā)生機構破壞而喪失承載力.當連續(xù)梁中支座截面先于跨中截面出現(xiàn)塑性鉸時，連續(xù)梁的破壞表現(xiàn)出較好的延性［6］.

采用纖維復合材料加固混凝土受彎構件是提高構件抗彎承載力的一種行之有效的方法［7－11］.本文以實際工程中經常遇到的連續(xù)梁負彎矩區(qū)纖維布繞過柱粘貼的情況為工程背景，進行了7根玄武巖纖維布與碳纖維布加固的混凝土T 形截面連續(xù)梁和1根對比梁的抗彎試驗研究.

1 試驗概況

1.1 構件尺寸和配筋

為考慮實際工程中混凝土樓板參與受力，連續(xù)梁試件設計成T 形截面，試件包括7根加固梁和1根對比梁.各試件均采用C30混凝土和相同的配筋形式，截面尺寸為150 mm×250 mm，板厚hf＝60 mm，板寬bf＝800mm.混凝土立方體抗壓強度平均試驗值為37.0MPa.試件尺寸、截面配筋情況如圖1所示，鋼筋、纖維布的材性試驗值如表1，2所示.

圖1 試件配筋圖（單位：mm）Fig.1 Specimen and reinforcement arrangement（unit：mm）

1.2 加固方案及加載制度

工程中經常遇到梁柱節(jié)點處無法在梁支座負彎矩段內粘貼纖維的情況，因而采取在柱兩側板的有效寬度范圍內粘貼纖維的方法［12］.各加固梁板面均粘貼一層纖維布，其中4根加固梁梁底分別粘貼1～4層玄武巖纖維布，3 根加固梁梁底分別粘貼1～3層碳纖維布，加固方案如圖2所示.連續(xù)梁跨內全段均粘貼U 型箍以加強錨固并避免試件發(fā)生剪切破壞.對比梁和加固梁編號及加固方式見表3.

圖2 加固設計示意圖（單位：mm）Fig.2 Design of strengthened specimens（unit：mm）

表1 鋼筋的力學性能指標Tab.1 Mechanics properties of reinforcement

表2 纖維布物理力學性能指標Tab.2 Properties of fiber reinforced polymer（FRP）

表3 試件概況Tab.3 Details of test specimens

試驗過程中所有構件均采用手動控制千斤頂進行加載，并由壓力傳感器控制分級荷載.千斤頂以相同荷載同步加載，正式加載前進行預載，預加載完成并卸載到初始狀態(tài)后，采用分級加載制度，以5kN的步長對構件進行加載，直到構件破壞.試驗裝置如圖3所示.

2 試驗現(xiàn)象及分析

2.1 破壞現(xiàn)象

圖3 試驗裝置及撓度測點布置圖（單位：mm）Fig.3 Test set－up and linear variable differential transformer arrangement（unit：mm）

B－0首先在跨中梁底出現(xiàn)微裂縫，寬度約為0.03mm，開裂荷載為20kN.隨著荷載增加，跨中梁側裂縫數(shù)量、寬度增加，走向與梁軸線垂直，裂縫間距與箍筋間距相近.隨后新增裂縫陸續(xù)遠離加載點，向兩邊支座擴散.加載初期，跨中處以受彎裂縫為主.荷載繼續(xù)增加時，支座負彎矩段出現(xiàn)橫向裂縫，此時的開裂荷載為41kN.隨后，中支座處梁側出現(xiàn)彎剪裂縫，裂縫走向由上至下.荷載達到85kN 時，跨中縱筋屈服.接近破壞時，中支座處翼緣裂縫與彎剪裂縫連通，如圖4b所示.荷載繼續(xù)增加時，加載點處翼緣也出現(xiàn)裂縫，并向梁肋靠近.此時，中支座處與跨內豎向裂縫均向加載點延伸.荷載達到120kN時，跨中撓度達到40.2mm，試件發(fā)生受彎破壞，破壞形態(tài)如圖4a，4b所示.

各加固梁首先在跨中梁底出現(xiàn)微裂縫，開裂荷載與B－0相近，約為20kN.荷載增大直到縱筋屈服，B－B1，B－B2，B－B3的破壞形態(tài)均與B－0相似，但相比之下，跨中和支座處的裂縫均得到了明顯抑制，中支座板面開裂稍許延遲，開裂荷載約45 kN.B－B1荷載達到90kN 時，跨中縱筋屈服.加載到129kN 時，右跨撓度達到40mm，跨中纖維布拉斷，試件破壞，板面破壞形態(tài)如圖5所示.B－B2荷載達到94kN 時，跨中縱筋屈服.加載到140kN 時，跨中纖維布拉斷，達到極限承載狀態(tài)，跨中最大撓度為22.5mm，破壞形態(tài)如圖6所示.荷載達到98kN時，B－B3跨中縱筋屈服，加載到135kN 時，局部U形箍翹曲剝離，150kN 時撓度迅速增加進而試件破壞.荷載達到100kN 時，B－B4跨中縱筋屈服.荷載增加到152kN 時，纖維布拉裂，同時跨中處發(fā)生U形箍與混凝土的剝落破壞，箍筋與縱筋外露，混凝土壓壞，B－B4跨中梁底破壞形態(tài)如圖7所示.

從開始加載到跨中縱筋屈服，B－C1，B－C2破壞形態(tài)與B－B1相似，中支座板面開裂荷載分別為54kN 和55kN.破壞時纖維布突然斷裂，試件變形較小，跨中加載點最大撓度均小于跨度的1／100倍，中支座處混凝土僅出現(xiàn)微裂紋，裂縫寬度約為0.08 mm，跨中裂縫約為0.3mm.B－C3破壞時，板面及跨中混凝土開裂均不明顯，跨中處纖維布未拉裂，支座和跨中處受拉縱筋均未屈服，中支座處混凝土壓壞導致U 形箍、端部纖維布與混凝土大塊剝離，鋼筋外露.破壞形態(tài)如圖8所示.

圖4 B－0破壞形態(tài)Fig.4 Pictures of B－0at failure

圖5 B－B1破壞形態(tài)Fig.5 Pictures of B－B1at failure

圖6 B－B2破壞形態(tài)Fig.6 Pictures of B－B2at failure

圖7 B－B4破壞形態(tài)Fig.7 Pictures of B－B4at failure

圖8 B－C3破壞形態(tài)Fig.8 Pictures of B－C3at failure

2.2 破壞模式

2.2.1 纖維布拉斷

B－B1，B－B2，B－B3，B－C1，B－C2均以跨中縱筋屈服后，中支座處梁頂縱筋屈服繼而混凝土壓壞，跨中纖維布斷裂為破壞模式.這種破壞模式具有明顯征兆：當連續(xù)梁跨中縱筋屈服后，梁側及中支座處板面可見明顯裂縫，梁相對中支座轉角明顯增加，此后中支座處梁頂縱筋屈服、混凝土壓壞，并形成塑性鉸，隨后跨中截面形成塑性鉸，加固梁發(fā)生機構破壞.

2.2.2 混凝土受壓破壞

B－B4，B－C3均發(fā)生混凝土受壓破壞.U 型箍、梁底纖維布、混凝土一起發(fā)生剝離破壞，縱筋和箍筋外露.B－B4中支座處梁頂縱筋屈服后，跨中截面混凝土壓壞，纖維布拉裂，可判斷為跨中處混凝土發(fā)生受壓破壞；B－C3受載過程中，中支座處梁頂縱筋始終未達到屈服，未形成塑性鉸，直到中支座截面混凝土發(fā)生受壓破壞導致加固梁發(fā)生破壞，脆性破壞特征明顯.

2.3 承載力

由表4可知，各加固梁的屈服荷載、極限荷載均有不同程度的提高，BFRP 布加固梁跨中截面屈服荷載最大提高幅度為17.6%，極限荷載最大提高幅度為26.7%.CFRP 布加固梁跨中截面屈服荷載最大提高幅度為38.8%，極限荷載最大提高幅度為37.5%.CFRP布對梁的抗彎承載力提高貢獻較大；各加固梁跨中截面開裂荷載均在20kN 左右，纖維布加固量的變化對跨中截面開裂荷載無明顯影響.BFRP布加固梁中支座截面開裂荷載為45～47kN，而CFRP布加固梁中支座截面開裂荷載為52～54 kN，跨中截面開裂后，加固梁剛度對中支座截面開裂荷載影響較大.

2.4 撓度

由圖9可知，相對CFRP布加固梁，同等工況下的BFRP 布加固梁延性較好，從試件屈服到破壞的征兆更明顯.各加固梁從加載初期至中支座截面混凝土開裂前，荷載－撓度曲線基本重合.加固梁中支座截面混凝土開裂至縱筋屈服前，荷載－撓度曲線斜率隨著纖維布加固量的增加有明顯增大趨勢.加固梁跨中縱筋屈服后，由于CFRP布具有較高的彈性模量，CFRP布加固梁荷載－撓度曲線的斜率增長明顯，且直到破壞時的跨中撓度也遠小于BFRP 布加固梁.

表4 試驗結果和破壞模式Tab.4 Test results and failure modes

圖9 各試件荷載—跨中撓度曲線Fig.9 Load－displacement curve at mid－span

2.5 混凝土和纖維應變

圖10，11為各試件跨中，中支座截面受壓區(qū)混凝土壓應變－荷載關系曲線.中支座截面混凝土壓應變均大于跨中板面混凝土壓應變，跨中板面混凝土壓應變均不超過1 000×10－6，樓板參與了受壓.混凝土壓應變－荷載關系曲線趨勢表明：因中支座處混凝土受壓區(qū)面積較小，梁頂縱筋屈服后，受壓區(qū)高度隨著荷載增加迅速，受壓區(qū)混凝土較快達到了極限應變.當跨中截面加固量較大時，梁整體剛度較大，限制了中支座和跨中截面的轉動，中支座處混凝土板面纖維布、梁頂鋼筋及板鋼筋共同參與受拉，因而中支座截面受壓區(qū)混凝土保持相對較大的應變值.

圖10 跨中截面混凝土壓應變—荷載曲線Fig.10 Load－concrete strain curve at mid－span

圖11 中支座截面混凝土壓應變—荷載曲線Fig.11 Load－concrete strain curve at middle－support

圖12，13給出了各試件跨中和中支座截面纖維布拉應變－荷載曲線.跨中縱筋屈服前，主要由混凝土和鋼筋共同受彎，當縱筋屈服后，纖維布較大程度地參與承擔彎矩，中支座轉動幅度增大，因而跨中截面達到屈服荷載時，跨中截面和中支座截面纖維布拉應變增長速率也呈增加趨勢.

圖12 跨中截面纖維拉應變—荷載曲線Fig.12 Load－FRP strain curve at mid－span

圖13 中支座板面纖維拉應變—荷載曲線Fig.13 Load－FRP strain curve at middle－support

中支座板面纖維拉應變－荷載曲線總體趨勢表明：隨著跨中截面纖維加固量的增加，加固梁整體剛度增大，中支座相對轉動幅度較小，纖維拉應變隨荷載增長速率減小.試驗觀察發(fā)現(xiàn)，中支座板面開裂后易發(fā)生纖維與混凝土面層剝離現(xiàn)象，實際工程中，應加強此處纖維布的錨固措施.

2.6 BFRP布抗彎加固允許拉應變

BFRP布加固混凝土梁時，應保證BFRP 布具有一定的安全儲備，BFRP 布的允許拉應變值對加固設計尤為重要.國內外頒布的加固規(guī)范、規(guī)程［12－15］中都有關于如何確定纖維布允許拉應變限值的規(guī)定.文獻［15］中對纖維布允許拉應變［εf］的取值做了較詳細的規(guī)定：

式中：εfu為極限拉應變設計值為廠商提供的極限拉應變；CE為環(huán)境折減系數(shù)；φ為設計公式中的延性折減系數(shù)；Ψf為強度折減系數(shù)；κm為受彎構件考慮粘結的折減系數(shù)，即纖維片材厚度折減系數(shù).

常用的碳纖維片材的彈性模量在120～250 GPa之間［15－16］，粘貼1～4 層，單層厚度為0.111～0.167mm，根據(jù)美國混凝土學會對碳纖維布允許拉應變的限值公式經過計算得到

式中：［εcf］為碳纖維布允許拉應變.

本試驗采用的BFRP布廠商提供的極限拉應力為2 100 MPa，極限拉應變約為23 000×10－6.而試驗時，BFRP 布斷裂時平均拉應變約為16 500×10－6，因而對極限拉應變進行折減，得到BFRP布允許拉應變

式中：［εbf］為BFRP布允許拉應變?yōu)閺S商提供的BFRP布極限拉應變；κb為BFRP 布極限拉應變折減系數(shù).

2.7 加固梁跨中截面抗彎承載力計算

文中試驗梁均為一般混凝土受彎構件，對粘貼1～3層BFRP 布的加固梁（破壞模式為鋼筋屈服后，纖維布拉斷）的跨中截面抗彎承載力進行簡化計算.由表5中的數(shù)據(jù)可知，跨中截面計算值與實測值較接近，且計算值有一定的安全儲備.結合上述計算結果、已有試驗數(shù)據(jù)并參考各規(guī)范、規(guī)程中關于纖維復合材料允許拉應變限值的規(guī)定，BFRP 布在一般環(huán)境中抗彎加固的極限拉應變折減系數(shù)κb可取0.50，并建議國產BFRP布加固混凝土受彎構件，對于重要構件的允許拉應變［εbf］不超過0.007，對于一般構件不超過0.01.

表5 跨中截面抗彎承載力計算值和試驗值Tab.5 Calculated values and test values of flexural capacity at mid－span

3 結論

對7根采用BFRP布與CFRP布分別加固的T形截面混凝土連續(xù)梁和1根對比梁進行抗彎試驗研究，并對BFRP 布加固梁跨中截面抗彎承載力進行計算分析后，得到以下結論：

（1）對發(fā)生彎曲破壞的加固梁，跨中縱筋屈服后，中支座處梁頂縱筋屈服繼而混凝土壓壞，形成塑性鉸.隨后，跨中截面纖維布斷裂，破壞過程具有明顯征兆.對于發(fā)生混凝土受壓破壞的梁，U 型箍、梁底纖維布、混凝土保護層一起發(fā)生剝離，縱筋和箍筋外露，脆性破壞特征明顯.

（2）BFRP布加固混凝土梁的屈服荷載、極限荷載均有不同程度的提高：中支座截面屈服荷載提高幅度為30.0%～50.0%，跨中截面屈服荷載提高幅度為5.9%～17.6%，極限承載力最大提高幅度為26.7%；而CFRP 布加固梁的提高幅度分別為50.0%～56.3%，11.8%～38.8%和37.5%.相比之下，CFRP布加固能更大程度地提高連續(xù)梁的抗彎承載力.

（3）參考現(xiàn)有規(guī)范、規(guī)程及本文試驗數(shù)據(jù)，建議國產BFRP布加固混凝土受彎構件的允許拉應變取廠商提供的極限拉應變值的0.5倍，且對于重要構件不超過0.007，對于一般構件不超過0.01.以此為依據(jù)，對本試驗中BFRP 布加固梁跨中截面承載力進行計算，得到的承載力設計值具有一定的安全儲備.

（4）實際工程中，對混凝土構件抗彎承載力提高幅度要求不高且要求較好延性、耐腐蝕性的情況下，玄武巖纖維復合材料可混雜或替代玻璃纖維和碳纖維復合材料使用.

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