圓截面玄武巖纖維復合筋混凝土構件受彎性能試驗研究

梁 樹，趙 文，胡 熠

(1.西南交通大學 地球科學與環境工程學院，四川 成都 610032；2.中國建筑西南勘察設計研究院，四川 成都 610052)

玄武巖纖維復合筋是以玄武巖纖維為增強材料，以合成樹脂為基體材料，并摻入適量輔助劑，經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合材料[1-3]。其耐腐蝕能力強，能適應各類酸、堿和自然元素的腐蝕，具有高強度、輕質、熱膨脹系數與混凝土相近等優異的物理化學性質，且生產造價低、環保，因此擁有廣闊的應用前景[4-6]。目前，國內外關于BFRP筋應用于混凝土配筋還沒有形成規范，使用時主要參考其他纖維復合材料的技術資料[7]。但由于BFRP材料的力學性質與其他纖維復合材料有差異，特別是其相對較低的彈性模量[8]讓結構體更容易產生變形，是否能應用于工程尚待探討。為了推動BFRP筋的應用，已有學者進行了相關研究，目前這些研究主要集中在方形構件[9-12]，而對于邊坡支護中常用的圓形構件的研究較少。

本文通過制作不同配筋率的BFRP筋圓形構件，監測構件受彎過程中BFRP筋的力學特征，分析構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)混凝土構件承載力的計算公式，得到BFRP筋混凝土構件的承載力計算公式。

1 試驗方案

1.1 構件設計及制作

制作的圓截面BFRP筋混凝土構件長1.5 m，直徑0.2 m，保護層厚度0.04 m，混凝土強度等級為C30，采用BFRP筋作為構造筋。由于BFRP不易彎曲，故構件的箍筋按照等強度替換的原則，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，養護28 d。共制作了4根不同配筋率的構件。圓截表BFRP筋受彎構件配筋如圖1所示，配筋方案見表1。

圖1 圓截面BFRP筋受彎構件配筋(單位：mm)

編號截面尺寸/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 加載方式及測試

構件的兩端采用可微調的固定裝置鎖定，采用5 t千斤頂進行跨中加載。加載方式為分級加載，每級荷載約為2.5 kN，持續加載直至構件破壞。

本次試驗需要監測荷載、裂縫、撓度及BFRP筋的應變。荷載大小通過加載裝置的液壓表讀取，試驗前加載裝置通過萬能試驗機標定。撓度測量采用4個百分表，分別位于跨中頂、底和兩側1/3處。BFRP筋的應變通過電阻應變片(BX120-50AA型)及配套的TST靜態應變測試儀測量。測試位置為構件頂、底BFRP筋，監測位置間隔200 mm。

2 試驗結果分析

2.1 破壞過程

試驗結果表明，圓截面BFRP筋混凝土受彎構件的破壞形態與圓截面鋼筋混凝土構件相似。根據裂縫發展規律，分為4個階段：①無裂縫階段，橫斷面的應力和應變都比較小，構件處于彈性變形階段，見圖2(a)。②軸向裂縫階段，即構件底部出現軸向裂縫之后，對角線裂縫出現之前，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，并在其他位置也產生裂縫。該階段的裂縫輕微開叉，構件兩端有輕微上翹。③斜向裂縫階段，即對角線裂縫出現之后，構件破壞之前，見圖2(c)。在構件底面中心附近開始出現斜向裂縫，隨著荷載的增加斜向裂縫是從構件底面中心附近沿對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爆裂的聲音。④破壞階段，內部裂縫完全貫通，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件內部的筋材，油壓表讀數突然下降，并伴隨巨大的爆裂聲音。

圖2 圓截面BFRP筋混凝土構件受彎過程

2.2 BFRP筋力學行為特征

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

圖3 跨中受拉側BFRP筋拉應力變化曲線

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

圖4 圓截面BFRP筋構件頂、底主筋應力曲線

2.3 沿截面高度混凝土應力分布規律

混凝土受彎構件的正截面強度計算是在平截面假定的基礎上進行的，它要求鋼筋與混凝土之間不產生滑移、斷裂。由于BFRP筋的抗剪強度較低，在使用過程中是否會發生斷裂、滑移尚待研究。為此，本文分別測試了圓截面BFRP筋混凝土構件混凝土應力沿截面高度的分布情況。

圓截面BFRP筋構件截面應力曲線見圖5。圖中，y為截面高度，F為集中荷載?？芍?，正截面應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#構件最下側BFRP筋的應力不滿足線性變化的規律，原因是該構件的BFRP筋籠在澆筑過程中向底部偏離，導致混凝土保護層厚度減小，從而出現滑移現象。

圖5 圓截面BFRP筋構件截面應力曲線

圖6 圓截面BFRP筋構件撓度-荷載曲線

2.4 構件撓度曲線

圓截面BFRP筋構件撓度-荷載曲線見圖6?？芍?，截面開裂前構件剛度較大，撓度變化較小，此時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，因而產生了較大的撓度變形。試驗所測極限破壞撓度為構件剛達到極限承載力時的撓度。

2.5 承載力特征

構件的使用要滿足變形和強度要求。變形方面，按照GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》對受彎構件撓度的規定，取撓度限值為L/250(L為構件長度)，并以此計算BFRP筋構件承載力。強度方面，試驗監測表明，受壓側BFRP筋的應力會出現突變，標志著受壓側開始進入塑性狀態，可以作為破壞狀態下的承載力。通過變形和強度計算得到的承載力較低值作為正常使用狀態下的極限承載力。

計算得到BFRP筋構件的初裂狀態、正常使用狀態和破壞狀態時的承載力，見表2。初裂狀態時，1#—3#構件的彎矩基本一致，變形相當；4#構件的彎矩最小，變形最小。原因是4#構件的BFRP配筋量最大，混凝土最少，混凝土的抗拉強度小。對比構件初裂狀態的變形和承載力可以看出，1#—3#構件的初裂狀態承載力分別為正常使用狀態承載力的67%，56%，51%，小于鋼筋混凝土構件的初裂狀態承載力與正常使用狀態承載力的百分比。原因是BFRP筋的彈性模量較低，能夠與混凝土協調變形，初裂前的狀態持續較長。初裂后BFRP筋的變形更大，使構件能夠快速達到撓度限值，進入正常使用狀態。當配筋率從0.96%增大到1.60%時，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；當配筋率從1.60%增大到2.24%時，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，隨著配筋率的增加，圓截面BFRP筋混凝土構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構件承載力及變形試驗結果

3 構件結構設計方法

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度；③混凝土受壓的應力-應變關系按GB 50010—2010中的要求確定；④不考慮縱向BFRP筋的抗壓強度；⑤BFRP 筋的受拉應力取其應變與彈性模量的乘積，但其值應符合以下條件

0≤Efεf≤ffd

(1)

式中：Ef為BFRP筋彈性模量；εf為BFRP筋的應變；ffd為BFRP筋的抗拉強度設計值。

由于BFRP筋沒有鋼筋一樣的屈服平臺，到達強度極限時會發生脆性破壞，參考CJJ/T 192—2012《盾構可切削混凝土配筋技術規程》得到ffd為

式中：ffu為BFRP筋的極限拉應力，MPa；ffu,ave為BFRP筋的平均最大拉伸強度，MPa；σ為拉伸強度的均方差，MPa。

3.2 BFRP筋混凝土結構承載力計算公式

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

(4)

(5)

αt=1.25-2α

(6)

式中：α為對應于受壓區混凝土截面面積的圓心角與2π的比值，%；α1為系數，取0.92；fc為混凝土強度設計值，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α>0.625時，αt=0；As為縱向BFRP筋的總截面面積，mm2；β為待定系數，GFRP筋時取1.4，BFRP筋時待求；M為BFRP筋構件橫截面的彎矩，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 設計彎矩調整系數建議值

通過對比計算值和試驗值求得待定系數β，計算值采用式(5)的右側部分計算得到，結果見表3?？芍?，按保守設計取圓截面BFRP筋混凝土構件的待定系數β=2.60。

表3 計算彎矩和測定彎矩

4 結論

1)圓截面BFRP筋受彎構件開裂階段較短，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筋混凝土構件的承載力越高。當配筋率>1.6%時，單純地提高配筋率對承載力的貢獻不大。

3)圓截面BFRP筋混凝土構件受拉區和受壓區主筋均隨荷載的增大而增大，其中受拉區主筋無突變，受壓區有突變。進入突變以后，構件仍保留有很強的承載能力。

4)圓截面BFRP筋混凝土構件的正截面應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筋混凝土結構承載力計算公式，并通過試驗求得待定系數β=2.60。