圓截面玄武巖纖維復(fù)合筋混凝土構(gòu)件受彎性能試驗(yàn)研究

梁 樹，趙 文，胡 熠

(1.西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 610032；2.中國建筑西南勘察設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610052)

玄武巖纖維復(fù)合筋是以玄武巖纖維為增強(qiáng)材料，以合成樹脂為基體材料，并摻入適量輔助劑，經(jīng)拉擠工藝和特殊的表面處理方法形成的一種新型非金屬復(fù)合材料[1-3]。其耐腐蝕能力強(qiáng)，能適應(yīng)各類酸、堿和自然元素的腐蝕，具有高強(qiáng)度、輕質(zhì)、熱膨脹系數(shù)與混凝土相近等優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)，且生產(chǎn)造價(jià)低、環(huán)保，因此擁有廣闊的應(yīng)用前景[4-6]。目前，國內(nèi)外關(guān)于BFRP筋應(yīng)用于混凝土配筋還沒有形成規(guī)范，使用時(shí)主要參考其他纖維復(fù)合材料的技術(shù)資料[7]。但由于BFRP材料的力學(xué)性質(zhì)與其他纖維復(fù)合材料有差異，特別是其相對(duì)較低的彈性模量[8]讓結(jié)構(gòu)體更容易產(chǎn)生變形，是否能應(yīng)用于工程尚待探討。為了推動(dòng)BFRP筋的應(yīng)用，已有學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，目前這些研究主要集中在方形構(gòu)件[9-12]，而對(duì)于邊坡支護(hù)中常用的圓形構(gòu)件的研究較少。

本文通過制作不同配筋率的BFRP筋圓形構(gòu)件，監(jiān)測(cè)構(gòu)件受彎過程中BFRP筋的力學(xué)特征，分析構(gòu)件的破壞特征及承載能力，以此修正普通玻璃纖維材料(Glass Fiber Reinforced Plastic,GFRP)混凝土構(gòu)件承載力的計(jì)算公式，得到BFRP筋混凝土構(gòu)件的承載力計(jì)算公式。

1 試驗(yàn)方案

1.1 構(gòu)件設(shè)計(jì)及制作

制作的圓截面BFRP筋混凝土構(gòu)件長1.5 m，直徑0.2 m，保護(hù)層厚度0.04 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，采用BFRP筋作為構(gòu)造筋。由于BFRP不易彎曲，故構(gòu)件的箍筋按照等強(qiáng)度替換的原則，采用直徑2 mm 的光圓鐵絲替代，箍筋間距100 mm。將BFRP筋均勻分布,圍成筋籠，然后置于圓柱形模具中，澆筑混凝土，養(yǎng)護(hù)28 d。共制作了4根不同配筋率的構(gòu)件。圓截表BFRP筋受彎構(gòu)件配筋如圖1所示，配筋方案見表1。

圖1 圓截面BFRP筋受彎構(gòu)件配筋(單位：mm)

編號(hào)截面尺寸/mm配筋量配筋率/%筋材之間夾角/(°)筋材凈間距/mm保護(hù)層厚度/mm1#?2006?80.966048.0402#?2006?101.506045.0403#?20010?81.603626.6404#?20014?82.242616.940

1.2 加載方式及測(cè)試

構(gòu)件的兩端采用可微調(diào)的固定裝置鎖定，采用5 t千斤頂進(jìn)行跨中加載。加載方式為分級(jí)加載，每級(jí)荷載約為2.5 kN，持續(xù)加載直至構(gòu)件破壞。

本次試驗(yàn)需要監(jiān)測(cè)荷載、裂縫、撓度及BFRP筋的應(yīng)變。荷載大小通過加載裝置的液壓表讀取，試驗(yàn)前加載裝置通過萬能試驗(yàn)機(jī)標(biāo)定。撓度測(cè)量采用4個(gè)百分表，分別位于跨中頂、底和兩側(cè)1/3處。BFRP筋的應(yīng)變通過電阻應(yīng)變片(BX120-50AA型)及配套的TST靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀測(cè)量。測(cè)試位置為構(gòu)件頂、底BFRP筋，監(jiān)測(cè)位置間隔200 mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 破壞過程

試驗(yàn)結(jié)果表明，圓截面BFRP筋混凝土受彎構(gòu)件的破壞形態(tài)與圓截面鋼筋混凝土構(gòu)件相似。根據(jù)裂縫發(fā)展規(guī)律，分為4個(gè)階段：①無裂縫階段，橫斷面的應(yīng)力和應(yīng)變都比較小，構(gòu)件處于彈性變形階段，見圖2(a)。②軸向裂縫階段，即構(gòu)件底部出現(xiàn)軸向裂縫之后，對(duì)角線裂縫出現(xiàn)之前，見圖2(b)。初始的軸向裂縫的長度及寬度均較小，隨著荷載的增加而不斷增大，并在其他位置也產(chǎn)生裂縫。該階段的裂縫輕微開叉，構(gòu)件兩端有輕微上翹。③斜向裂縫階段，即對(duì)角線裂縫出現(xiàn)之后，構(gòu)件破壞之前，見圖2(c)。在構(gòu)件底面中心附近開始出現(xiàn)斜向裂縫，隨著荷載的增加斜向裂縫是從構(gòu)件底面中心附近沿對(duì)角線向兩邊不斷延伸，且裂縫寬度、長度不斷增加。原有的軸向裂縫不斷向邊緣延伸，寬度不斷增大，并伴隨掉落的混凝土顆粒和連續(xù)爆裂的聲音。④破壞階段，內(nèi)部裂縫完全貫通，見圖2(d)，上部混凝土在壓力的作用下翹起，下部混凝土脫落露出構(gòu)件內(nèi)部的筋材，油壓表讀數(shù)突然下降，并伴隨巨大的爆裂聲音。

圖2 圓截面BFRP筋混凝土構(gòu)件受彎過程

2.2 BFRP筋力學(xué)行為特征

跨中受拉側(cè)BFRP筋拉應(yīng)力變化曲線見圖3，其中，曲線終端為極限荷載下的跨中拉應(yīng)力?？芍築FRP筋的應(yīng)力隨荷載的增大而增大；1#—3#構(gòu)件均表現(xiàn)出明顯的初裂階段，該階段的最大荷載為5.04 kN。4#構(gòu)件最早進(jìn)入初裂階段，且持續(xù)時(shí)間較短，這是因?yàn)?#構(gòu)件的配筋率最高，混凝土量最少，混凝土部分的抗拉能力弱。初裂以前BFRP筋應(yīng)力隨荷載增長的速度較慢，1#—3#構(gòu)件BFRP筋在5.04 kN的荷載下應(yīng)力僅為1～2 MPa，該值與混凝土的抗拉強(qiáng)度相當(dāng)，說明此時(shí)BFRP筋與混凝土共同承擔(dān)受拉側(cè)的拉力。構(gòu)件底部開裂后BFRP筋的應(yīng)力快速增大，當(dāng)荷載為10 kN時(shí)，BFRP筋的應(yīng)力達(dá)到140～190 MPa，應(yīng)力增大了100倍左右。BFRP筋應(yīng)力隨荷載的增大繼續(xù)增大直至構(gòu)件破壞。BFRP筋沒有表現(xiàn)出普通鋼筋一樣的屈服階段。

圖3 跨中受拉側(cè)BFRP筋拉應(yīng)力變化曲線

圓截面BFRP筋構(gòu)件頂、底主筋應(yīng)力曲線見圖4，應(yīng)力正值表示受壓，負(fù)值表示受拉?？芍嚎缰?750 mm 處)兩側(cè)具有較好的對(duì)稱性，跨中應(yīng)力最大并向兩端逐漸減小。初裂以前構(gòu)件無裂紋，斷面的垂直偏轉(zhuǎn)角、應(yīng)力和應(yīng)變都比較小，圓截面BFRP筋混凝土受彎構(gòu)件處于彈性變形階段。受拉側(cè)混凝土開裂后，BFRP筋承擔(dān)全部拉應(yīng)力，且快速增大直至構(gòu)件破壞，期間無明顯的應(yīng)力突變。BFRP筋受壓側(cè)的變化規(guī)律與受拉側(cè)有所區(qū)別：①受壓側(cè)承擔(dān)壓應(yīng)力的BFRP筋主要位于跨中附近，距離跨中400 mm以外BFRP筋受到的壓應(yīng)力很小。②跨中受壓側(cè)BFRP筋受到的壓應(yīng)力隨荷載的增大而增大，與受拉側(cè)的線性增加不同，受壓側(cè)壓應(yīng)力均出現(xiàn)突變，其中1#構(gòu)件的突變荷載為12.6 kN，2#構(gòu)件為22.68 kN，3#構(gòu)件為12.6 kN，4#構(gòu)件為17.6 kN。壓應(yīng)力突然增大的原因是受壓側(cè)已進(jìn)入塑性區(qū)。

圖4 圓截面BFRP筋構(gòu)件頂、底主筋應(yīng)力曲線

2.3 沿截面高度混凝土應(yīng)力分布規(guī)律

混凝土受彎構(gòu)件的正截面強(qiáng)度計(jì)算是在平截面假定的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，它要求鋼筋與混凝土之間不產(chǎn)生滑移、斷裂。由于BFRP筋的抗剪強(qiáng)度較低，在使用過程中是否會(huì)發(fā)生斷裂、滑移尚待研究。為此，本文分別測(cè)試了圓截面BFRP筋混凝土構(gòu)件混凝土應(yīng)力沿截面高度的分布情況。

圓截面BFRP筋構(gòu)件截面應(yīng)力曲線見圖5。圖中，y為截面高度，F(xiàn)為集中荷載。可知，正截面應(yīng)力沿高度呈較好的線性分布，證明了平截面假定的合理性。1#構(gòu)件最下側(cè)BFRP筋的應(yīng)力不滿足線性變化的規(guī)律，原因是該構(gòu)件的BFRP筋籠在澆筑過程中向底部偏離，導(dǎo)致混凝土保護(hù)層厚度減小，從而出現(xiàn)滑移現(xiàn)象。

圖5 圓截面BFRP筋構(gòu)件截面應(yīng)力曲線

圖6 圓截面BFRP筋構(gòu)件撓度-荷載曲線

2.4 構(gòu)件撓度曲線

圓截面BFRP筋構(gòu)件撓度-荷載曲線見圖6。可知，截面開裂前構(gòu)件剛度較大，撓度變化較小，此時(shí)BFRP筋混凝土梁與鋼筋混凝土梁的撓度在同一荷載下基本相同[1]。截面開裂后，構(gòu)件剛度突然降低，撓度加速增大，由于BFRP筋的彈性模量小于鋼筋的彈性模量，BFRP筋混凝土梁的剛度下降幅度明顯比鋼筋混凝土梁大，因而產(chǎn)生了較大的撓度變形。試驗(yàn)所測(cè)極限破壞撓度為構(gòu)件剛達(dá)到極限承載力時(shí)的撓度。

2.5 承載力特征

構(gòu)件的使用要滿足變形和強(qiáng)度要求。變形方面，按照GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)受彎構(gòu)件撓度的規(guī)定，取撓度限值為L/250(L為構(gòu)件長度)，并以此計(jì)算BFRP筋構(gòu)件承載力。強(qiáng)度方面，試驗(yàn)監(jiān)測(cè)表明，受壓側(cè)BFRP筋的應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)突變，標(biāo)志著受壓側(cè)開始進(jìn)入塑性狀態(tài)，可以作為破壞狀態(tài)下的承載力。通過變形和強(qiáng)度計(jì)算得到的承載力較低值作為正常使用狀態(tài)下的極限承載力。

計(jì)算得到BFRP筋構(gòu)件的初裂狀態(tài)、正常使用狀態(tài)和破壞狀態(tài)時(shí)的承載力，見表2。初裂狀態(tài)時(shí)，1#—3#構(gòu)件的彎矩基本一致，變形相當(dāng)；4#構(gòu)件的彎矩最小，變形最小。原因是4#構(gòu)件的BFRP配筋量最大，混凝土最少，混凝土的抗拉強(qiáng)度小。對(duì)比構(gòu)件初裂狀態(tài)的變形和承載力可以看出，1#—3#構(gòu)件的初裂狀態(tài)承載力分別為正常使用狀態(tài)承載力的67%，56%，51%，小于鋼筋混凝土構(gòu)件的初裂狀態(tài)承載力與正常使用狀態(tài)承載力的百分比。原因是BFRP筋的彈性模量較低，能夠與混凝土協(xié)調(diào)變形，初裂前的狀態(tài)持續(xù)較長。初裂后BFRP筋的變形更大，使構(gòu)件能夠快速達(dá)到撓度限值，進(jìn)入正常使用狀態(tài)。當(dāng)配筋率從0.96%增大到1.60%時(shí)，承載力從7.5 kN·m增大到 9.8 kN·m，承載力增量與配筋率增量的比值為359；當(dāng)配筋率從1.60%增大到2.24%時(shí)，承載力從9.8 kN·m增大到10.3 kN·m，承載力增量與配筋率增量的比值為78。這說明在一定范圍內(nèi)，隨著配筋率的增加，圓截面BFRP筋混凝土構(gòu)件的承載力逐漸增加，但配筋率增加到一定程度后，承載力的增量不明顯，BFRP筋的利用率較低。

表2 BFRP構(gòu)件承載力及變形試驗(yàn)結(jié)果

3 構(gòu)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

3.1 基本假定及合理性

基本假定：①平截面假定；②不考慮混凝土的抗拉強(qiáng)度；③混凝土受壓的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系按GB 50010—2010中的要求確定；④不考慮縱向BFRP筋的抗壓強(qiáng)度；⑤BFRP 筋的受拉應(yīng)力取其應(yīng)變與彈性模量的乘積，但其值應(yīng)符合以下條件

0≤Efεf≤ffd

(1)

式中：Ef為BFRP筋彈性模量；εf為BFRP筋的應(yīng)變；ffd為BFRP筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

由于BFRP筋沒有鋼筋一樣的屈服平臺(tái)，到達(dá)強(qiáng)度極限時(shí)會(huì)發(fā)生脆性破壞，參考CJJ/T 192—2012《盾構(gòu)可切削混凝土配筋技術(shù)規(guī)程》得到ffd為

式中：ffu為BFRP筋的極限拉應(yīng)力，MPa；ffu,ave為BFRP筋的平均最大拉伸強(qiáng)度，MPa；σ為拉伸強(qiáng)度的均方差，MPa。

3.2 BFRP筋混凝土結(jié)構(gòu)承載力計(jì)算公式

GFRP筋和BFRP筋雖均屬于礦物纖維增強(qiáng)材料，但二者的密度、抗拉極限強(qiáng)度、彈性模量有一定的差異。對(duì)GFRP公式進(jìn)行修正，并加入待求系數(shù)β，可以得到承載力計(jì)算公式為

(4)

(5)

αt=1.25-2α

(6)

式中：α為對(duì)應(yīng)于受壓區(qū)混凝土截面面積的圓心角與2π的比值，%；α1為系數(shù)，取0.92；fc為混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，MPa；A為圓形截面面積，mm2；αt為縱向受拉BFRP筋與全部縱向玻璃纖維筋截面面積的比值，當(dāng)α>0.625時(shí)，αt=0；As為縱向BFRP筋的總截面面積，mm2；β為待定系數(shù)，GFRP筋時(shí)取1.4，BFRP筋時(shí)待求；M為BFRP筋構(gòu)件橫截面的彎矩，kN·m;r為圓形截面的半徑，mm；rs為縱向BFRP筋重心圓周半徑，mm。

3.3 設(shè)計(jì)彎矩調(diào)整系數(shù)建議值

通過對(duì)比計(jì)算值和試驗(yàn)值求得待定系數(shù)β，計(jì)算值采用式(5)的右側(cè)部分計(jì)算得到，結(jié)果見表3?？芍?，按保守設(shè)計(jì)取圓截面BFRP筋混凝土構(gòu)件的待定系數(shù)β=2.60。

表3 計(jì)算彎矩和測(cè)定彎矩

4 結(jié)論

1)圓截面BFRP筋受彎構(gòu)件開裂階段較短，正常使用階段開裂荷載為正常使用極限荷載的51%～67%。

2)配筋率越高，圓截面BFRP筋混凝土構(gòu)件的承載力越高。當(dāng)配筋率>1.6%時(shí)，單純地提高配筋率對(duì)承載力的貢獻(xiàn)不大。

3)圓截面BFRP筋混凝土構(gòu)件受拉區(qū)和受壓區(qū)主筋均隨荷載的增大而增大，其中受拉區(qū)主筋無突變，受壓區(qū)有突變。進(jìn)入突變以后，構(gòu)件仍保留有很強(qiáng)的承載能力。

4)圓截面BFRP筋混凝土構(gòu)件的正截面應(yīng)力沿高度呈較好的線性分布，滿足平截面假定。

5)本文修正了圓截面BFRP筋混凝土結(jié)構(gòu)承載力計(jì)算公式，并通過試驗(yàn)求得待定系數(shù)β=2.60。