BFRP筋再生混凝土無腹筋梁開裂荷載試驗(yàn)研究★

彭長嶺 劉華新

(遼寧工業(yè)大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001)

傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)中，鋼筋銹蝕仍是導(dǎo)致構(gòu)件性能退化和耐久性降低的難題。為解決這一問題，纖維增強(qiáng)塑料(Fiber Reinforced Polymer,FRP)筋材替代鋼筋被廣泛提出,FRP筋無磁性，輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕[1-3]，可以避免鋼筋銹蝕對(duì)結(jié)構(gòu)所帶來的損傷，從而提高結(jié)構(gòu)壽命和降低結(jié)構(gòu)昂貴的維護(hù)成本。同時(shí)為解決天然石材的過度開采，保護(hù)生態(tài)環(huán)境及廢舊混凝土處理不當(dāng)引起的環(huán)境污染問題。許多學(xué)者[4-6]對(duì)再生混凝土進(jìn)行了階段性的研究。

對(duì)于FRP筋和再生混凝土的研究，多數(shù)是單一的作為研究對(duì)象進(jìn)行研究。將FRP筋與再生混凝土兩種材料結(jié)合起來，將成為解決建筑行業(yè)可持續(xù)發(fā)展問題的重要途徑之一，但運(yùn)用于結(jié)構(gòu)構(gòu)件在國內(nèi)外還鮮見報(bào)道。開裂荷載作為衡量構(gòu)件抗裂性能的重要指標(biāo)和預(yù)應(yīng)力構(gòu)件力學(xué)性能計(jì)算的重要參數(shù)，在工程設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究中，都會(huì)涉及到開裂荷載的取值,因此對(duì)BFRP筋再生混凝土無腹筋梁的開裂荷載進(jìn)行研究具有較大的工程價(jià)值和意義。本文通過對(duì)9根BFRP筋再生混凝土無腹筋簡支梁的抗剪試驗(yàn)研究，分析了BFRP筋配筋率、剪跨比、截面高度和混凝土抗壓強(qiáng)度對(duì)BFRP筋再生混凝土無腹筋梁的開裂荷載影響。并將BFRP筋再生混凝土無腹筋梁的開裂荷載的試驗(yàn)值與當(dāng)前開裂荷載計(jì)算的理論值進(jìn)行比較分析，為以后在工程設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)研究中，涉及到BFRP筋再生混凝土無腹筋梁開裂荷載的取值問題，提供一定的理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料來源和性能見文獻(xiàn)[7]。試驗(yàn)梁縱筋采用直徑為16 mm的玄武巖纖維筋，極限抗拉強(qiáng)度為1 123 MPa，彈性模量為51.3 GPa。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)中設(shè)計(jì)的混凝土配合比見表1。

表1 混凝土配合比

1.3 試驗(yàn)裝置以及加載方式

試驗(yàn)采用5 t彎剪壓力試驗(yàn)機(jī)，四點(diǎn)彎曲加載，由分配梁實(shí)現(xiàn)，試驗(yàn)加載示意圖如圖1所示，加載過程嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行，加載采用1 kN/s的速率持續(xù)加載方式，直至試件破壞。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

除BF-3梁外其他梁均發(fā)生剪切破壞，BF-3梁發(fā)生彎剪破壞，如圖2所示。加載初期梁的裂縫開展情況與剪切破壞類似，均先產(chǎn)生彎曲裂縫，再產(chǎn)生斜裂縫。荷載加載到極限荷載時(shí)，梁的垂直裂縫迅速貫穿整個(gè)截面，導(dǎo)致受壓區(qū)混凝土高度急劇下降，梁發(fā)生彎剪破壞。其他試驗(yàn)梁的剪切破壞過程與普通混凝土梁基本無差別。典型破壞形態(tài)以BF-2為例，見圖3。

2.2 開裂荷載影響因素分析

2.2.1剪跨比的影響

圖4為不同剪跨比下的開裂荷載折線圖。對(duì)比BF-1，BF-2，BF-3這3根試驗(yàn)梁數(shù)據(jù)可以明顯的看出，其他條件相同下,BFRP筋再生混凝土梁初裂抗剪強(qiáng)度與剪跨比有關(guān)，隨著剪跨比的增加BFRP筋再生混凝土梁的開裂荷載逐漸降低。當(dāng)剪跨比提高0.19%時(shí)，開裂荷載降低了46.67%，剪跨比再次提高0.29%時(shí)，開裂荷載降低了5%，實(shí)驗(yàn)梁開裂荷載的下降程度有所降低，但是仍處于下降的趨勢。這是因?yàn)樵偕炷恋氖軌簳?huì)抑制裂縫的開裂，當(dāng)剪跨比較小時(shí)，混凝土的壓應(yīng)力對(duì)于斜裂縫的開裂抑制作用較明顯，會(huì)提高混凝土斜截面開裂荷載。所以隨著剪跨比的增加，混凝土壓應(yīng)力逐漸減小，斜開裂荷載也隨之減小。這與文獻(xiàn)[9][10]所得結(jié)論一致。

2.2.2配筋率的影響

普通混凝土梁縱筋率的增加不僅可以提高梁的剛度，還可以增大縱筋與混凝土的接觸面積，提高縱筋和混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度，從而降低梁的彎曲變形和縱筋與混凝土的相對(duì)滑移，最終提高梁的開裂荷載。但提高的效果并不很明顯，因?yàn)楫?dāng)梁開裂時(shí)，主要受混凝土的控制，縱筋應(yīng)力很小，起到的作用不明顯。圖5顯示了其他條件相同下，不同配筋率對(duì)開裂荷載的影響。對(duì)比BF-1，BF-4，BF-5這3根梁實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以看出BFRP再生混凝土無腹筋梁開裂荷載與配筋率有關(guān)，當(dāng)配筋率從0.77%提高到0.92%時(shí)，開裂荷載提高了10.7%。但是當(dāng)配筋率繼續(xù)增加到1.16%時(shí)，開裂荷載反而降低了51.8%。這可能與BFRP筋有較大的抗拉強(qiáng)度的特性有關(guān)，也有可能因?yàn)樵囼?yàn)時(shí)，初開裂狀態(tài)靠肉眼辨別，使試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生了隨機(jī)性和離散性?？傊?，從圖5可以看出，在一定范圍內(nèi)提高配筋率可以小程度的提高試驗(yàn)梁的開裂荷載。

2.2.3截面高度影響

圖6顯示了不同截面高度下BF-1，BF-6，BF-7的開裂荷載?？梢钥闯觯珺FRP筋再生混凝土無腹筋梁的開裂荷載與梁的截面高度有關(guān)。當(dāng)試驗(yàn)梁的截面高度從300 mm增加到350 mm時(shí)，梁的開裂荷載提高了52%，當(dāng)截面高度增加到400 mm時(shí)，梁的開裂荷載提高了5.3%。因?yàn)橐环矫?，在簡支梁中，梁的有效高度與剪跨比成反比例關(guān)系，隨著試驗(yàn)梁的有效高度增加，梁的剪跨比逐漸減小，從而導(dǎo)致梁的開裂荷載增大。另一方面，截面高度的增加提高了梁的剛度和梁內(nèi)骨料咬合力。

2.2.4混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

普通混凝土梁的開裂是由于混凝土的主拉應(yīng)力達(dá)到混凝土的極限抗拉強(qiáng)度所致，隨著混凝土的抗壓強(qiáng)度提高，其抗拉強(qiáng)度將有所提高。因此BFRP筋再生混凝土梁開裂荷載同樣受到再生混凝土的抗壓強(qiáng)度影響。圖7為其他參數(shù)相同下，不同混凝土抗壓強(qiáng)度對(duì)開裂荷載的影響?？梢钥闯觯偕炷量箟簭?qiáng)度與BFRP筋再生混凝土無腹筋梁的開裂荷載大致成線性函數(shù)關(guān)系。當(dāng)再生混凝土強(qiáng)度提高26.8%，23.1%時(shí)，試驗(yàn)梁的開裂荷載分別提高了2.67%，6.5%，梁的開裂荷載隨著混凝土的強(qiáng)度提高，逐漸增大，提高的幅度相差并不是很大。

3 相關(guān)規(guī)范比較

3.1 ACI 318M-05規(guī)范[11]的計(jì)算方法

根據(jù)ACI 318M-05規(guī)范，開裂荷載的計(jì)算方法為：

3.2 過鎮(zhèn)海[12]的計(jì)算方法

按材料塑性變形計(jì)算，將簡化后得到的截面應(yīng)力計(jì)算模型建立平衡方程，最終得到開裂荷載的計(jì)算方法：

Mcr=0.256ftbh2。

其中，ft為混凝土抗拉強(qiáng)度;b為梁的截面寬度；h為梁的高度。

3.3 吳瑾，丁東方[13]和徐廣舒[14]的計(jì)算方法

通過對(duì)再生混凝土梁的正截面的開裂荷載的試驗(yàn)研究，文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[9]得出了相同的再生混凝土梁開裂荷載計(jì)算方法：

Mcr=1.224W0ft。

表2 開裂荷載試驗(yàn)值與理論值及其比值

將BFRP筋再生混凝土無腹筋梁的開裂荷載的試驗(yàn)值與理論值進(jìn)行比較，見表2。

由表2可以看出，ACI 318M-05規(guī)范[11]和吳瑾等[13]和徐廣舒[14]計(jì)算得到的開裂荷載理論值基本上都小于實(shí)驗(yàn)值，具有一定安全儲(chǔ)備量。過鎮(zhèn)海[12]計(jì)算得到的開裂荷載理論值較實(shí)驗(yàn)值大，偏于不安全。三種不同的開裂荷載計(jì)算方法得到的理論值與實(shí)驗(yàn)值的比值的變異系數(shù)均達(dá)到了0.25，其偏差和離散性較大。由此表明當(dāng)前的開裂荷載計(jì)算方法已經(jīng)不再適用BFRP筋再生混凝土無腹筋梁的開裂荷載計(jì)算。

4 結(jié)語

通過對(duì)9根BFRP筋再生混凝土無腹筋梁的抗剪試驗(yàn)研究，探究了剪跨比，配筋率，截面高度，混凝土強(qiáng)度對(duì)BFRP筋再生混凝土無腹筋梁開裂荷載影響程度，得到以下結(jié)論：

1)BFRP筋再生混凝土無腹筋梁均發(fā)生脆性破壞，裂縫首先出現(xiàn)在梁的純彎段，最終破壞位置集中在分配梁的支點(diǎn)附近。

2)在相同條件下，BFRP筋再生混凝土梁的開裂荷載隨著剪跨比的增加而減小，但減小的程度有所降低。

3)在一定范圍內(nèi)，增加縱筋率、截面高度和再生混凝土抗壓強(qiáng)度能提高BFRP筋再生混凝土梁的開裂荷載。

4)當(dāng)前的開裂荷載計(jì)算方法已經(jīng)不再適用于BFRP筋再生混凝土無腹筋梁開裂荷載的計(jì)算。