玄武巖纖維布加固連續(xù)梁彎矩重分布特征分析

丁 斌

(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(basalt fiber reinforced plastic，BFRP)是由火山噴發(fā)形成的惰性玄武巖礦石經(jīng)物理加工而成的一種新型綠色無機纖維復合材料.玄武巖纖維具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、耐高溫性、抗拉強度、延性和耐久性.玄武巖纖維通過天然材料物理處理得到，對環(huán)境污染小且價格低廉，有望在一些加固工程中成為玻璃纖維甚至碳纖維復合材料的替換材料［1－4］.

混凝土結構加固中經(jīng)常會遇到纖維復合材料加固連續(xù)梁的問題.如能充分了解纖維復合材料加固后連續(xù)梁的彎矩重分布特征，并在加固設計中加以應用，就能更合理地評估結構的承載能力，發(fā)揮結構構件的潛力，達到節(jié)約材料、簡化設計的目的［5－8］.通過彎矩調(diào)幅系數(shù)可對按彈性方法所計算的彎矩值進行適當調(diào)整，從而優(yōu)化結構構件的受力性能.因此，彎矩調(diào)幅系數(shù)取值的合理性，對于工程設計具有重要的意義［9－11］.文中以混凝土連續(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4根玄武巖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

1.1 構件尺寸和配筋

試件包括4根加固梁和1根對比梁，均采用C30混凝土和相同的配筋形式，混凝土立方體抗壓強度平均試驗值為37.0 MPa.試件尺寸、配筋情況如圖1，鋼筋、纖維布的材性試驗值如表1，2.

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

表1 鋼筋的力學性能Table 1 Properties of Reinforcement

表2 玄武巖纖維布規(guī)格Table 2 Properties of BFRP

1.2 加固方案及加載制度

采用在中支座處兩側(cè)板面的有效寬度范圍內(nèi)粘貼玄武巖纖維布［12］.加固梁板面均粘貼一層纖維布，4根加固梁梁底分別粘貼1～4層玄武巖纖維布，加固方案如圖2.梁跨內(nèi)均粘貼U型箍以加強錨固并避免發(fā)生剪切破壞.試件編號及加固方式見表3.采用集中力以5kN的步長對梁跨中截面同時加載，直到構件破壞.加載裝置及位移計布置如圖3.

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

表3 試件概況Table 3 Details of test specimens

圖3 試驗裝置及位移計布置Fig.3 Test set-up and LVDT arrangement

2 試驗結果

2.1 破壞模式

2.1.1 纖維布拉斷

B－B1～B－B3破壞過程呈延性破壞特征:跨中縱筋屈服后，梁側(cè)及中支座處板面可見明顯裂縫，跨內(nèi)部分相對中支座的轉(zhuǎn)角明顯增加，此后中支座處縱筋屈服、混凝土壓壞后形成塑性鉸，隨后跨中處形成塑性鉸，加固梁發(fā)生機構破壞.典型破壞形態(tài)如圖4.

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

2.1.2 混凝土受壓破壞

B－B4破壞時，跨中處梁底纖維布拉斷、U型箍和混凝土一起發(fā)生剝離、縱筋和箍筋外露.BB4中支座處縱筋屈服后，跨中截面混凝土壓壞，纖維布拉裂，為跨中處混凝土發(fā)生受壓破壞，典型破壞形態(tài)如圖5.

圖5 B－B4破壞形態(tài)Fig.5 Pictures of B －B4 at failure

2.2 荷載－撓度曲線

由圖6可知，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－撓度曲線斜率隨著加固量的增加明顯增大.跨中截面縱筋屈服后，荷載－撓度曲線有明顯的屈服平臺.玄武巖纖維布加固梁表現(xiàn)出較好的延性.

圖6 各試件荷載－跨中撓度曲線Fig.6 Load-displacement curve at mid-span

2.3 彎矩重分布

各梁控制截面的實測彎矩根據(jù)試驗數(shù)據(jù)計算求得.相應的彈性彎矩值采用力法求解.各試件跨中截面和支座截面鋼筋屈服時計算得到的彎矩調(diào)幅系數(shù)如表4.彎矩調(diào)幅系數(shù)按下式確定:

式中:MT為試驗測得的彎矩值;Me為彈性彎矩值.

由表4，5可知，各試件跨中縱筋屈服時，跨中截面和中支座截面彎矩調(diào)幅系數(shù)分別在0.09～0.19和0.17～0.32之間，中支座縱筋屈服時跨中截面和中支座截面彎矩調(diào)幅系數(shù)分別在0.09～0.22和0.15～0.38之間.玄武巖纖維布加固梁在受載過程中，跨中截面彎矩重分布程度小于支座截面彎矩重分布程度.各試件跨中和中支座彎矩－荷載關系曲線與彈性值比較如圖7，8.

圖7 各試件荷載－跨中彎矩曲線Fig.7 Load-displacement curve at mid-span

圖8 各試件荷載－中支座彎矩曲線Fig.8 Load-displacement curve at mid-span

表4 跨中縱筋屈服時實測彎矩值和理論彎矩值Table 4 Experimental and theoretical value of moment at mid-span when longitudinal bar is yielding

表5 中支座縱筋屈服時實測彎矩值和理論彎矩值Table 5 Experimental and theoretical value of moment at middle-support when longitudinal bar is yielding

3 結論

對4根玄武巖纖維布加固的T形截面混凝土連續(xù)梁和1根對比梁進行了抗彎試驗，分析了玄武巖纖維布加固連續(xù)梁的彎矩重分布特征和破壞模式，得到以下結論:

1)1～3層玄武巖纖維布加固的連續(xù)梁均發(fā)生彎曲破壞.跨中縱筋屈服后，中支座處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，荷載－撓度曲線具有明顯的屈服平臺，破壞過程具有明顯征兆.發(fā)生混凝土受壓破壞的加固梁，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)中支座鋼筋屈服前，加固梁的跨中和支座處彎矩實測值與彈性理論值較為接近，梁的彎矩重分布不明顯.中支座屈服后，加固梁各控制截面均發(fā)生了很明顯的彎矩重分布;

3)加固梁跨中縱筋屈服時，跨中截面和中支座截面彎矩調(diào)幅系數(shù)分別在0.09～0.19和0.15～0.32之間;中支座縱筋屈服時，跨中截面和中支座截面彎矩調(diào)幅系數(shù)分別在0.09～0.22和0.15～0.38之間.加固梁中支座截面彎矩重分布較跨中截面明顯.

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