FRP混凝土梁的抗彎性能研究

金元林

(江蘇省昆山市水利工程建設管理處，江蘇 昆山 215300)

鋼筋混凝土結構在正常使用的環(huán)境中會有著較好的耐久性，而一旦處在腐蝕性的環(huán)境下，特別是一些水環(huán)境，耐久性就會大打折扣，嚴重影響結構的正常使用和安全性能。造成這個缺陷的最主要原因就是鋼筋容易發(fā)生銹蝕。對于處于正常使用條件下的鋼筋混凝土結構，鋼筋由堿性混凝土保護不易銹蝕，但如果長期暴露在侵蝕性環(huán)境中，水、空氣和腐蝕性介質(海洋環(huán)境下的Cl-)會滲透到混凝土結構內部，造成鋼筋出現(xiàn)銹蝕，而銹蝕的產物容易造成鋼筋體積膨脹，混凝土開裂，進一步加速構件的損壞。為保證結構的正常使用，每年都需要耗費大量的人力物力定期對其進行保養(yǎng)和維修[1-2]。國內外鋼筋混凝土結構遭受腐蝕的情況不勝枚舉，美國近60萬座橋梁中，鋼筋受到嚴重腐蝕的將近10萬座；英國建造的鋼筋混凝土結構由于臨近海洋或者處在含氯化物介質環(huán)境中，因鋼筋銹蝕引發(fā)使用性和安全性問題的占1/3以上；調查顯示，日本沖繩地區(qū)的177座橋梁和672座房屋(處于海洋環(huán)境中)，混凝土橋面板和梁的損壞率高達90.3%。在我國類似的情況也很多，公路方面有近5000座危橋，全長約13萬多m；鐵路方面，隨著服役期的增長和鐵路運量的加大，混凝土橋受侵害的有近3000座，并且這一數(shù)字還在不斷增加；房屋建筑方面，到2000年我國至少有23.4億m2的建筑物因結構安全度過低而退役[3]。

近幾十年，纖維增強復合材料(Fiber Reinforced Plastics,FRP)因具有強度高、重量輕、耐腐蝕性好、抗磁性能強等特點，被學者們廣泛地開發(fā)和研究。其中，F(xiàn)RP筋是以纖維為增強體、樹脂為基體經(jīng)過擠拉工藝制成的復合筋材，更是被認為是一種可以替代鋼筋的理想材料，特別是在一些潮濕易造成鋼筋銹蝕的環(huán)境中[4-8]。隨著研究的不斷深入，F(xiàn)RP材料種類也日益繁多，主要有碳纖維FRP(CFRP)、玻璃纖維FRP(GFRP)、玄武巖纖維FRP(BFRP)以及芳綸纖維FRP(AFRP)等[9-10]。CFRP材料的彈性模量和強度非常高，但延伸率較低，且多用于航空、高鐵等領域，材料的價格比較昂貴。AFRP材料蠕變率較大，容易引起結構產生較大的長期變形。GFRP材料在制備時產生附加的有害物質較多污染較大，并且材料本身耐堿性能差。而BFRP材料是將天然的玄武巖經(jīng)過高溫熔融，再通過專門的設備拉絲制成連續(xù)的纖維材料，整個生產過程較為綠色環(huán)保[11]。

很顯然，不同的FRP在材性方面會有著明顯的差異，因而FRP筋在增強混凝土結構時也會有著不同的特性表現(xiàn)。因此，本文選取四種不同的FRP筋(BFRP、GFRP、CFRP和AFRP)以及鋼筋制成混凝土梁并進行對比試驗，研究不同F(xiàn)RP筋增強混凝土結構的性能差異，本文著重關注承載力、撓度、裂縫等參數(shù)，試驗結果可為以后的研究提供參考。

1 試件設計

1.1 試驗材料

本文所用的BFRP、CFRP、GFRP和AFRP纖維筋(材料性能見表1)及FRP筋拉伸試驗裝置、方法參照美國規(guī)程ACI440[12]，鋼筋的材性試驗按照《金屬拉伸試驗方法》進行[13]。制作3個150mm×150mm×150mm混凝土立方體試塊，并按照規(guī)范要求(GB 50010—2010)養(yǎng)護28天[14]，測得立方體平均抗壓強度為32.3MPa。

表1 筋材的力學性能

1.2 試件設置

本試驗共制備了5根混凝土梁，1根鋼筋混凝土梁為對比梁(受力筋采用2根直徑為12mm的鋼筋)，其他4根為純纖維混凝土梁。梁的總長度為2000mm，純彎段為600mm，梁為矩形截面，尺寸220mm×300mm[見圖1(a)]。其中，4根純纖維混凝土梁的受力筋分別采用3根BFRP筋(ρ=1.75%)、2根GFRP筋(ρ=1.8%)、6根CFRP筋(ρ=0.5%)和3根AFRP筋(ρ=1.15%)。架立筋采用2根直徑為10mm的鋼筋，此外，為防止出現(xiàn)剪切破壞，在構件的非純彎段設置箍筋加密區(qū)[見圖1(b)]。各梁配筋率是按照與鋼筋的等剛度原則進行設計的，并且已經(jīng)考慮了筋材在實際配置時的偏差。

圖1 試件設計

1.3 試驗裝置和程序

試件為簡支梁，采用油壓千斤頂及反力架施加荷載，并采用分配梁分配荷載。為保證分配梁兩個作用點之間的截面(忽略構件自重)只受彎矩而無剪力，采用四點加載方式施加荷載。試驗屬于單調加載的靜力試驗，荷載是逐級施加的，每級荷載加載完停留5min，并記錄此時的鋼筋應變儀、位移計、壓力傳感器的讀數(shù)，試驗加載裝置見圖2。在梁跨中的一側面設置四個Pi位移計，以便測量截面的應變。在試驗前先將構件的側面刷白并畫上縱橫間距為50mm的網(wǎng)格線，以便清晰得到裂縫的發(fā)展形態(tài)和裂縫寬度。用裂縫觀測儀測量裂縫寬度并且記錄各試驗梁在各級荷載作用下的裂縫寬度，同時在構件上描繪出裂縫分布與發(fā)展情況。加載時，預先加載至5kN，確保加載裝置與梁充分接觸，再卸載至0，然后正式加載。鋼筋混凝土梁采用的加載制度為：開始10kN一級加載至臨近開裂，然后每級2kN加載至開裂，然后每級10kN加載至臨近屈服，然后每級5kN加載至屈服，屈服后改為按位移加載，每級按屈服位移加載至構件破壞。而FRP筋混凝土梁的加載制度為：開始10kN一級加載至臨近開裂，然后每級5kN加載至開裂，然后每級20kN加載至破壞。

圖2 試驗加載設備

2 試驗結果分析

2.1 梁的破壞形態(tài)分析

本試驗中的所有梁均采用等剛度原則設計(見圖3)，加載時的行為方式很相似。但由于配筋率和筋材的材料特性不同，試件在破壞時還是會表現(xiàn)出不同程度的開裂和破壞形態(tài)，試驗結果表明，主要有兩種典型的破壞形態(tài)，即鋼筋屈服后混凝土壓潰進而鋼筋拉斷破壞(鋼筋混凝土梁)和混凝土壓潰破壞(FRP混凝土梁)。

圖3 試件破壞形態(tài)

各梁的開裂荷載很相近，大約在15.8kN時會在跨中出現(xiàn)第一條裂縫。對于鋼筋混凝土梁，當荷載達到35kN時，在純彎段共出現(xiàn)6條裂縫且分布較為對稱，裂縫間距大約為150mm，隨著荷載繼續(xù)增加到39.51kN時，梁達到屈服，梁的撓度增加加快，剛度明顯變小，此級荷載后裂縫的寬度增加也較快。對于FRP混凝土梁，隨著荷載增加，梁的撓度相應增加并且較為平穩(wěn)，剛度保持不變(與鋼筋混凝土梁在使用階段表現(xiàn)的剛度一致)，直到梁上部混凝土發(fā)生壓潰破壞。各梁的極限承載力見表2。

2.2 承載力分析

試件的荷載—撓度曲線見圖4。鋼筋混凝土梁的荷載—撓度曲線很準確地反映了鋼筋混凝土梁在荷載作用下的撓度變化。主要表現(xiàn)為在鋼筋屈服前，曲線基本為直線，在開裂前和開裂后曲線的斜率會存在略微的變化。在鋼筋屈服后，隨著鋼筋的強化，梁的承載能力有略微的增長，之后承載力會趨于穩(wěn)定。與鋼筋混凝土梁的表現(xiàn)有所不同，F(xiàn)RP混凝土梁的荷載—位移曲線基本為直線，在梁的開裂前后曲線的斜率發(fā)生了些許變化，這是由于開裂后梁的剛度有所減小。混凝土開裂后，荷載—撓度曲線表現(xiàn)為線性增長(無屈服平臺)，直至梁上部混凝土達到極限應變而壓潰破壞，這與FRP筋是線彈性材料有關。

圖4 荷載—撓度曲線

表2給出了梁的試驗結果，所有的FRP混凝土梁都按照設計的理想破壞形態(tài)，發(fā)生了彎曲破壞。CFRP筋混凝土梁的配筋率最低為ρ=0.50%，但承載力最高，這與CFRP筋超高的抗拉承載力有關。BFRP筋和GFRP筋的彈性模量相對較低，但通過增加梁的配筋面積也可以達到較高的抗彎承載力。并且從圖中可以看出，F(xiàn)RP筋混凝土梁的破壞都為脆性破壞，在破壞之前沒有征兆。

表2 梁的試驗結果

2.3 裂縫分布分析

從各梁主要的豎向裂縫分布情況(見圖5)中可以看出，鋼筋混凝土梁和FRP筋混凝土梁的裂縫形態(tài)存在明顯的不同。鋼筋混凝土梁的裂縫分布較均勻，在純彎段共出現(xiàn)了6條裂縫，并且在裂縫上下部都有很明顯的分叉現(xiàn)象。FRP筋混凝土梁承載能力較高，最后發(fā)生混凝土壓潰破壞，與鋼筋混凝土梁相比，裂縫的數(shù)量會較低，并且裂縫之間的間距也較大(最大的達到200mm)。梁L-3在純彎段出現(xiàn)4條裂縫并且基本沒有出現(xiàn)分叉，這說明它的黏結性能較差(筋材的直徑過大，從圖5也可以看出)。而梁L-4在純彎段的裂縫較多，除了4條主裂縫外，還有不少細小的裂縫，這與筋材的直徑有關(CFRP筋的直徑為7.8mm)，因此可以看到直徑越小，它與混凝土的黏結性能越好。同樣的結論，也可以從梁L-2與梁L-5的對比中得到。

圖5 90%極限承載力下的裂縫分布

從圖6可以看出，開裂前期各梁裂縫寬度的變化相近，裂縫寬度基本呈線性變化。鋼筋混凝土梁在鋼筋屈服之后裂縫寬度增大很快，在荷載基本不變的情況下裂縫寬度還在快速增長，最后達到了7.8mm。FRP筋混凝土梁由于FRP筋沒有屈服點，故它的裂縫寬度一直呈線性變化。

圖6 荷載—裂縫寬度曲線

2.4 性價比分析

各梁造價(見表3)及材料單價參照市場價格：鋼筋4000元/t，混凝土400元/m3，BFRP筋25000元/t，GFRP筋23000元/t，CFRP筋239000元/t，AFRP筋160000元/t。計算時忽略了筋材體積改變造成的混凝土質量減少。各試件架立筋和箍筋總價為62.92元，混凝土總價為52.8元。

表3 梁的價格

從各梁總價來看，梁L-1的價格最低，梁L-4的價格最高，對FRP筋混凝土梁而言，受力筋的價格占主要部分。在性價比方面，梁L-2和梁L-3的性價比相對較高，但相對于GFRP筋而言，BFRP筋在生產時更為綠色。梁L-5采用的芳綸纖維材料不僅價格較高，而且國內生產較少，主要運用在軍事方面。總體來看，BFRP筋混凝土梁具有較好的選擇性。

3 結 論

本文研究了不同F(xiàn)RP筋混凝土梁的抗彎性能及裂縫發(fā)展狀況，通過制作并試驗了5根梁得出以下結論：與鋼筋混凝土梁的受力表現(xiàn)不同，F(xiàn)RP筋混凝土梁在承載時無屈服點，這主要是由材料的特性決定的，并且在破壞時多為脆性破壞，破壞前不會出現(xiàn)明顯的征兆；在配置筋材時，不同直徑的筋材對裂縫的發(fā)展會產生較大的影響，筋材直徑越大，與混凝土黏結性能越差，導致最終的裂縫寬度會越大；與鋼筋混凝土梁相比，F(xiàn)RP筋混凝土梁具有較高的承載能力，但造價會相對較高，其中CFRP筋混凝土梁的造價最高。不同F(xiàn)RP筋混凝土梁相比，BFRP筋混凝土梁的性價比最好，在水利工程耐腐蝕結構中具有較好的應用前景。