FRP筋混凝土连续梁的抗弯性能

刘忠新

(涿州市交通运输局)

1 概 述

纤维增强聚合物(FRP)具有强度高、重量轻、不生锈、易操作的特点。把FRP 用做加筋材料制成结构构件具有极大的吸引力，尤其是当构件处于腐蚀环境中时。另外，它还具有抗电解、抗磁化的性能。用FRP 制成板或棒，大有取代钢筋之势。

连续结构在桥梁建设中应用越来越普及，尤其是高等级公路桥梁。连续梁的负弯矩区经常暴露在恶劣气候中，除饱经寒暑天气蹂躏外，还要遭受溶水盐的侵蚀。因此，负弯矩钢筋经常受到锈蚀的威胁。使用不生锈的FRP 作为受力筋则可在整个试用期内放心使用，并可减少维护费用。

在钢筋混凝土连续梁中，应力控制截面会发生应力重分布，使结构具有很好的延性，在破坏前可能显现出很大的变形，以示警告。这种应力重分布归功于钢筋受拉后表现出的“屈服台阶”。而FRP 则不然，它一直到受拉破坏，变形都是弹性的，从不屈服。这就引起了学者们得注意，怀疑它是否也能够进行荷载和弯矩重分布。在目前还没有相关的规定。因此，在实践中尚不允许在连续梁中进行弯矩重分布。

早期研究认为，钢筋混凝土连续梁控制截面的弯矩重分布发生在钢筋屈服前的正常工作荷载期间。之所以发生，是由于该截面发生了非弹性变形活裂缝，以致沿梁长方向的刚度发生了改变，从而原有的弹性弯矩发生了改变，即所谓应力重分布。研究认为，这一过程可分为两个阶段。第一阶段是由混凝土出现裂缝开始的;第二阶段是由钢筋的塑性变形引起的。由于FRP 筋(棒)不能表现出塑性变形，可以认为，弯矩重分布式由于控制截面的刚度变化和混凝土产生了很小的受压非弹性变形而发生的。还有，对于等截面梁，开裂后的刚度大致上与含筋率成正比。从试验得出的开裂后的实际弯矩图可以看出，FRP 筋连续梁是可以进行弯矩重分布的。

2 FRP 配筋的混凝土连续梁的试验

研究共制作了4 根用FRP 配筋的混凝土连续梁，并进行了抗弯试验。其中有两根GFRP 筋梁(玻璃纤维)，一根CFRP 筋梁(碳纤维)，还有一根钢筋混凝土梁，以资比较。

钢筋混凝土梁设计成由钢筋屈服二破坏，即两个跨中正弯矩和一个支点负弯截面设计成少筋断面;FRP 筋混凝土梁设计成混凝土被压碎而破坏，这也是加拿大等国规范中设定的破坏模式，即在两个控制截面设置了较大的配筋率，跨中和支点的含筋率分别为1.2%和2.8%。

CFRP 和GFRP 筋(棒)被穿上了“砂衣”，表面裹以硬砂的FRP 棒增强了它与混凝土之间的粘结力，把连续的碳纤维长丝，浸渍在热固性乙烯基树脂中，制成了碳纤维棒，其纤维含量为73%(重量比)。

钢筋混凝土试验梁采用Φ15 的螺纹钢作为受弯钢筋。CFRP 棒的抗拉强度为1 590 MPa，相应的极限变形为0.012;GFRP 棒的抗拉强度为730 MPa，相应的极限应变力为0.016;28 d 混凝土强度为30 MPa，抗拉强度为2.7 MPa;所有梁均采用Φ8 钢筋做箍筋。

3 破坏模式

所有的梁均首先在支点上方出现第一条竖向裂缝。接下来，跨中开始出现相似的竖向裂缝。当竖向裂缝慢慢向受压区扩展时，会陆续出现新裂缝。之后裂缝开始增加了宽度和深度，并开始倾斜，直至破坏。

钢筋混凝土连续梁呈现出传统的延性特征，中支座上方的负弯矩筋首先屈服，气候是跨中的正弯矩筋屈服。随着荷载的增加，剪力开始影响斜裂缝出现，钢筋屈服，最终达到剪拉破坏。CFRP 筋混凝土梁的破坏始自负弯矩区的混凝土被压碎，同时跨中上缘混凝土被压碎，最后CFRP 棒被拉断。GFRP 棒混凝土梁的破坏模式相似。之所以在GFRP 棒未达到其极限应变之前而混凝土被压碎，是因为断面采用了超筋设计。

4 裂缝宽度和分布

(1)钢筋混凝土梁的裂缝比较均匀，无论是正弯矩区还是负弯矩区，裂缝间距接近箍筋间距。

(2)玻璃纤维棒混凝土梁GFRP 筋在负弯矩区布置较多，比钢筋混凝土梁的裂缝数量少。

(3)碳纤维棒混凝土梁，支座上方的裂缝少而宽。

(4)钢筋混凝土梁在同样荷载作用下，裂缝宽度约为FRP 筋梁的裂缝宽度的65%。

从使用角度厨房，梁不宜出现过宽的裂缝和过大的挠度。为此，常将钢筋应力控制在屈服应力的60%;而对GFRP 和CFRP 的应力，建议控制在它们极限强度的25%和65%。

5 挠度计算

所有试验梁都表现出了“荷载—挠度”的线性特征，一直到裂缝出现;随着荷载的增加，抗弯刚度减小。

由于FRP 混凝土梁的轴向刚度较低，它们会出现较宽的裂缝。因此，它们的挠度也比钢筋混凝土梁要大。当FRP混凝土梁的负弯矩区配筋较少，正弯矩区配筋较多时，梁的挠度会变小。

考虑到使用要求，最大挠度应予以限制。加拿大标准协会提出容许挠度为L/180 ～L/480，可根据结构类型和功能选用。

挠度计算的前提是计算刚度，主要参数为截面惯矩。美国ACI 规范提出了“有效惯矩Ie”的概念。该公式源自钢筋混凝土结构，并用系数βd进行了修正。

式中:Mcr 为开裂弯矩;Ma 为使用荷载弯矩;Ig 为毛截面惯矩;Icr 为开裂截面惯矩;βd为修正系数(取0.2 ～0.5)

按实验结果，对FRP 筋混凝土梁，计算Ie时需进一步进行修正，修正值rG取0.6

6 结 论

研究共制作了4 片FRP 筋混凝土连续梁，其中两片为玻璃纤维棒加筋混凝土梁，一片为碳纤维棒筋混凝土梁;还有一片普通钢筋混凝土梁，以资比较。在两跨跨中施加集中荷载直至破坏。试验观测了实际成本率和挠度，并与按现行规范计算的理论值进行了比较。

(1)GFRP 筋混凝土梁在跨中下缘配筋较多，在中支座上缘约有23%的弹性弯矩进行了重分布，传递给了跨中截面。

(2)采用FRP 配筋的连续梁可以实现弯矩重分布，减少跨中挠度，但它限制了结构成本能力的提高。

(3)在GFRP 混凝土连续梁中，实现了较大数量的弯矩重分布，对梁的使用性能没有出现不利影响。

(4)在抗弯能力相同的情况下，FRP 混凝土连续梁玉钢筋混凝土梁相比，挠度大，裂缝宽。

(5)FRP 筋混凝土梁在破坏前出现大变形、大裂缝，充分显示了预警信号。

(6)CFRP 筋混凝土连续梁，同样也出现了弯矩重分布现象。