BFRP筋混凝土梁彎曲性能研究進(jìn)展

昌 魏 鄧 皓

四川文理學(xué)院建筑工程學(xué)院 四川 達(dá)州 635000

1 引言

BFRP筋是通過連續(xù)玄武巖纖維和環(huán)氧樹脂在線拉擠、纏繞、表面涂覆制備而成，其包含玄武巖纖維和環(huán)氧樹脂兩種成分。BFRP筋是21世紀(jì)的新型綠色環(huán)保材料，其具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、耐腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性好，適用溫度范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。BFRP在破裂前有顯著的延伸率，以較大的裂縫和撓度，能防止BFRP發(fā)生脆性破壞。用BFRP筋增強(qiáng)的混凝土受彎構(gòu)件能夠取得更好的效果，能夠更好滿足承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)。2015年我國(guó)發(fā)布了《纖維復(fù)合材料行業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃》，旨在擴(kuò)大纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)用和發(fā)展。2016年，我國(guó)多部門聯(lián)合出臺(tái)了《關(guān)于加快新材料產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的指導(dǎo)意見》，提出加快創(chuàng)新發(fā)展玄武巖纖維等無(wú)機(jī)非金屬功能材料?！吨袊?guó)制造2025》也提出加快發(fā)展玄武巖纖維等復(fù)合材料的研究與應(yīng)用[1]。

我國(guó)中西部地區(qū)由于氣溫變化大、環(huán)境濕度大，部分地區(qū)需要考慮工業(yè)污染物的影響。因此，BFRP筋混凝土梁的研究和應(yīng)用具有重大的意義。本文通過對(duì)BFRP筋混凝土梁彎曲性能的研究與應(yīng)用的總結(jié)分析，對(duì)其是否能成為未來(lái)主要的新型建筑材料提出意見與展望。

2 普通BFRP筋混凝土梁的受彎試驗(yàn)

普通BFRP筋混凝土梁主要是常規(guī)混凝土強(qiáng)度的BFRP筋梁，其彎曲試驗(yàn)不同于鋼筋混凝土梁的受彎試驗(yàn)，BFRP筋與混凝土的黏結(jié)作用使得其與鋼筋混凝土梁的受彎性能有所差異。

對(duì)3個(gè)BFRP筋混凝土簡(jiǎn)支梁進(jìn)行試驗(yàn)研究，通過研究其裂縫分布示意圖、荷載-撓度曲線和彎矩曲率曲線，研究BFRP筋混凝土簡(jiǎn)支梁的破壞過程和破壞形態(tài)。并通過有限元軟件模擬了BFRP筋簡(jiǎn)支梁的受彎性能，通過試驗(yàn)和有限元分析發(fā)現(xiàn)BFRP筋混凝土梁的破壞表現(xiàn)為延性破壞，裂縫分布沿梁均勻分布[2]。

研究發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維增強(qiáng)筋/鋼筋混合配筋混凝土梁的破壞形式均表現(xiàn)為鋼筋屈服后混凝土壓碎；隨著配筋面積比的增加，其撓度逐漸增加，表明其撓度可以通過調(diào)整玄武巖纖維增強(qiáng)筋/鋼筋混合配筋混凝土梁的配筋面積比來(lái)進(jìn)行控制[3]。同時(shí)，研究表明同一纖維體積率情況下，受壓區(qū)摻入鋼纖維混凝土梁的極限承載力與全截面摻入鋼纖維的混凝土的梁極限承載力相近。僅在受壓區(qū)摻入鋼纖維可有效提高BFRP筋與鋼纖維的增強(qiáng)增韌作用，進(jìn)而提高梁的抗彎性能[4]。

考慮將廢棄的建筑材料經(jīng)過處理并按比例替代天然集料，加入水泥和水而配成的再生混凝土結(jié)合BFRP筋的力學(xué)性能優(yōu)勢(shì)，通過12根玄武巖纖維筋再生混凝土簡(jiǎn)支梁的三點(diǎn)靜力試驗(yàn)，研究了不同骨料取代率的再生混凝土對(duì)BFRP筋受彎構(gòu)件的破壞形態(tài)、彎矩-曲率關(guān)系曲線、荷載-撓度關(guān)系曲線、裂縫開展情況等方面的性能影響。研究表明再生骨料取代率的提高，試件抗彎承載力基本不變，延性增加明顯，裂縫數(shù)量增加也較為明顯，且裂縫間距分布更加均勻。表明BFRP筋與再生混凝土的粘結(jié)更加均勻，符合工程對(duì)裂縫的要求[5]。結(jié)合抗拉強(qiáng)度高、耐久性好和自重輕的碳纖維布和輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕的玄武巖纖維筋混凝土的優(yōu)勢(shì)，并將變形能力好、抗拉性能與耐久性能優(yōu)異的新型水泥基復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)，研究了碳纖維布加固玄武巖纖維筋工程用水泥基復(fù)合材料混凝土組合梁。研究表明粘貼碳纖維布加固能夠有效提高BFRP筋混凝土梁的承載力能夠，極限承載力隨著碳纖維布粘貼層數(shù)增加而增加，但增加趨勢(shì)逐漸變慢。碳纖維加固后能夠有效提高組合梁的抗彎剛度，限制裂縫的延伸和發(fā)展。提出了綜合考慮碳纖維布層數(shù)和構(gòu)件黏結(jié)性能的強(qiáng)度折減系數(shù)[6]。

研究發(fā)現(xiàn)BFRP混凝土梁開裂彎矩低于ACI和CSA規(guī)范的理論計(jì)算公式，這一發(fā)現(xiàn)也同樣出現(xiàn)在GFRP筋混凝土梁受彎情況。通過試驗(yàn)測(cè)得的平均粘結(jié)系數(shù)和加拿大告訴公里設(shè)計(jì)規(guī)范一致。隨著配筋率的增加，BFRP筋混凝土梁剛度增加，相同荷載作用下應(yīng)變更小。試件的軸向剛度顯著影響B(tài)FRP筋混凝土梁的受彎性能。軸向剛度越大，試驗(yàn)梁的撓度、應(yīng)變和裂縫寬度均更小[7]。而BFRP筋嵌入式加固法可顯著提升鋼筋混凝土梁的承載性能，其增強(qiáng)作用主要體現(xiàn)縱筋屈服后。粘結(jié)滑移問題在加固梁中普遍存在，BFRP筋-混凝土界面的相對(duì)滑移降低了加固梁的極限荷載。BFRP筋端部應(yīng)力集中，易發(fā)生剝離破壞，加固梁的剝離承載力主要受BFRP筋的粘結(jié)長(zhǎng)度及二次受力的影響[8]。研究結(jié)果表明在相近的配筋率情況下，F(xiàn)RP筋混凝土梁開裂后抗彎強(qiáng)度明顯低于普通鋼筋梁，裂縫寬度更大。正常使用極限狀態(tài)下，F(xiàn)RP筋混凝土梁中的FRP筋的裂縫間縱筋受拉應(yīng)變不均勻系數(shù)值大于普通鋼筋[9]。

通過FRP筋與混凝土的粘結(jié)性能、粘結(jié)破壞機(jī)理研究。通過有限元分析了配筋率、混凝土強(qiáng)度、界面尺寸、纖維類型和荷載形式等因素對(duì)FRP筋混凝土梁受力性能的影響。根據(jù)變形協(xié)調(diào)關(guān)系推導(dǎo)了界限受壓區(qū)高度、界限配筋率和FRP筋混凝土梁承載力計(jì)算公式[10]。結(jié)合11個(gè)FRP筋混凝土梁的受彎試驗(yàn)，進(jìn)行開裂荷載、裂縫開展和撓度變化進(jìn)行分析，提出FRP筋混凝土梁在受彎狀態(tài)下的撓度和裂縫計(jì)算公式[11]。采用試驗(yàn)、有限元和理論分析方法對(duì)FRP筋混凝土梁受彎性能進(jìn)行開裂彎矩、抗彎承載力、裂縫寬度、剛度、撓度的計(jì)算公式進(jìn)行研究。通過理論推導(dǎo)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，探索FRP筋混凝土梁理論分析的一條新途徑[12]。根據(jù)纖維增強(qiáng)塑料筋混凝土梁正截面抗裂度的試驗(yàn)結(jié)果，研究了鋼筋混凝土梁正截面抗烈度計(jì)算方法相銜接的纖維增強(qiáng)塑料筋混凝土梁正截面抗裂度的計(jì)算方法[13]。通過BFRP筋的拉伸性能試驗(yàn)、抗彎性能試驗(yàn)、BFRP筋混凝土梁抗彎性能的試驗(yàn)和數(shù)值分析，進(jìn)行12個(gè)簡(jiǎn)支梁的豎向荷載試驗(yàn)，4個(gè)破壞梁的補(bǔ)強(qiáng)加固試驗(yàn)。通過ADINA計(jì)算值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較分析，發(fā)現(xiàn)軟件計(jì)算精度較高，為模擬纖維增強(qiáng)筋混凝土結(jié)構(gòu)的受彎性能提供了新的方法和途徑[14]。

綜上所述，普通BFRP筋混凝土梁的受彎性能研究主要集中在矩形截面簡(jiǎn)支邊界條件，相關(guān)兩端固支、懸臂梁相關(guān)的研究較少，同時(shí)截面形式過于單一，難以反映實(shí)際工程中的受力情況。

3 高強(qiáng)混凝土BFRP筋梁的受彎試驗(yàn)

高強(qiáng)混凝土BFRP筋梁主要是混凝土強(qiáng)度在C50至C80之間，混凝土強(qiáng)度的BFRP筋梁， BFRP筋與普通混凝土的黏結(jié)作用使得其與普通BFRP筋混凝土梁的受彎性能有所差異。

通過試驗(yàn)研究全截面增強(qiáng)和部分增強(qiáng)的BFRP筋鋼纖維復(fù)合增強(qiáng)高強(qiáng)混凝土梁受彎性能，通過分析鋼纖維混凝土層厚度、鋼纖維體積率和FRP配筋率等參數(shù)分析梁破壞模式、受彎承載力、荷載-撓度曲線、使用荷載、荷載-最大裂縫寬度曲線、平均裂縫寬度、裂縫寬度差異性的影響。發(fā)現(xiàn)BFRP筋鋼纖維復(fù)合增強(qiáng)高強(qiáng)混凝土梁的破壞模式可分為FRP筋拉斷破壞、混凝土壓碎破壞和平衡破壞。鋼纖維的加入可提高BFRP筋高強(qiáng)混凝土梁的使用荷載。鋼纖維體積率、鋼纖維混凝土層厚度和FRP筋配筋率的增大可有效抑制BFRP筋鋼纖維復(fù)合增強(qiáng)高強(qiáng)混凝土梁裂縫的開展。在BFRP筋高強(qiáng)混凝土梁的全截面摻加鋼纖維可提高梁的延性，而在部分截面摻加鋼纖維會(huì)對(duì)梁的延性產(chǎn)生一定程度的負(fù)面影響[15]。通過6個(gè)高強(qiáng)混凝土纖維筋梁的受彎試驗(yàn)，研究纖維對(duì)承載力、裂縫形成和延性的影響，發(fā)現(xiàn)增加纖維能夠提高梁的開裂荷載、極限強(qiáng)度和延性，同時(shí)減小纖維筋混凝土梁的最大裂縫寬度[16]。

由文獻(xiàn)可知，高強(qiáng)混凝土BFRP筋混凝土的受彎性能研究?jī)H得出一些定性的結(jié)論，難以滿足工程應(yīng)用的要求。

4 腐蝕條件下BFRP筋混凝土梁的受彎試驗(yàn)

腐蝕條件下BFRP筋混凝土梁，其受彎性能與普通混凝土的黏結(jié)作用使得其與普通BFRP筋混凝土梁的受彎性能有所差異。其耐久性問題值得進(jìn)一步研究。

針對(duì)惡劣環(huán)境中的鋼筋混凝土的耐久性問題，研究了FRP筋混凝土的耐腐蝕性能和高強(qiáng)度性能，通過5個(gè)CFRP筋混凝土簡(jiǎn)支梁和4個(gè)AFRP筋混凝土簡(jiǎn)支梁的受彎性能試驗(yàn)，研究了FRP筋配筋率對(duì)梁的破壞情況，提出FRP筋混凝土梁的極限承載力、最小配筋率、抗裂度和剛度的設(shè)計(jì)方法[17]。通過對(duì)氯化鈉溶液侵蝕作用后的4種不同筋材的受拉性能和5組混凝土梁受彎性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。研究了應(yīng)力水平和侵蝕時(shí)間對(duì)鋼-玄武巖纖維復(fù)合筋受拉性能及鋼-玄武巖纖維復(fù)合筋混凝土梁受彎承載力、變形、裂縫和破壞形態(tài)的影響。結(jié)果表明鋼-玄武巖纖維復(fù)合筋綜合了鋼筋良好的延性和BFRP筋的高強(qiáng)度，在內(nèi)芯鋼筋屈服后仍呈現(xiàn)出穩(wěn)定的拉伸模量。鋼-玄武巖纖維復(fù)合筋混凝土梁在鋼筋屈服后具有明顯的抗彎剛度。相同配筋率的未侵蝕試件，鋼筋混凝土梁承載力最高，鋼-玄武巖纖維復(fù)合筋混凝土梁承載力最低。彎矩-變形曲線預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值吻合良好；現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范關(guān)于裂縫寬度的計(jì)算理論仍適用于鋼-玄武巖纖維復(fù)合筋混凝土梁[18]。

分析文獻(xiàn)研究可知，腐蝕條件下BFRP筋混凝土梁的受彎性能研究中，大多數(shù)試驗(yàn)研究都采用實(shí)驗(yàn)室加速腐蝕，不能真實(shí)反映實(shí)際工程中的受力情況。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)普通BFRP筋混凝土梁的受彎性能、高強(qiáng)混凝土BFRP筋和腐蝕條件下BFRP筋混凝土梁的受彎試驗(yàn)研究進(jìn)行了總結(jié)和歸納，主要得出以下結(jié)論：

（1）普通BFRP筋混凝土梁的受彎性能研究后續(xù)應(yīng)對(duì)更多的荷載工況展開試驗(yàn)，更能保證研究成果的有效性和可靠性。

（2）高強(qiáng)混凝土BFRP筋混凝土的受彎性能研究?jī)H得出一些定性的結(jié)論，需要進(jìn)一步研究和提出其抗彎承載力、撓度計(jì)算公式和裂縫開裂計(jì)算公式，以保證工程中的應(yīng)用。

（3）腐蝕條件下BFRP筋混凝土梁的受彎性能研究，以后應(yīng)對(duì)真實(shí)服役環(huán)境下的試件展開試驗(yàn)，得出的結(jié)論更加可靠和適用。