剪跨比对BFRP筋混凝土梁抗剪性能影响的研究

黄知花，林家波，陆佳炯，郭范波

（台州学院 建筑工程学院，浙江 台州 318000）

0 引言

钢筋混凝土结构在海洋或盐碱环境中，容易出现钢筋锈蚀的问题，而由于钢筋锈蚀导致的后果非常严重，甚至会出现结构破坏。为了解决钢筋混凝土中钢筋锈蚀的问题，各国学者对此都展开了较多的研究，传统的防腐措施有混凝土表面涂层法、阴极保护法、采用耐腐蚀钢筋、钢筋阻锈剂等，虽然对解决钢筋腐蚀有一定的作用，但是都存在着各自的弊端，而采用玄武岩纤维材料（BFRP）筋代替钢筋是一种潜在的方法。

玄武岩纤维是由玄武岩岩石经过熔融抽丝而成，其主要化学成分是硅和氧，但由于其铝、铁的含量较高，因此玄武岩纤维的耐化学腐蚀性能较好［1、2］。玄武岩纤维复合材料是一种纯天然的无机非金属材料，具有高强度、耐温性、抗氧化、抗辐射、绝热隔音、过滤性好、抗压缩强度和剪切强度高、适应于各种环境下使用等优异性能，且性价比好，是一种可以满足国民经济基础产业发展需求的新的基础材料和高技术纤维。玄武岩纤维与其他纤维的性能比较如表1所示。用玄武岩筋替代混凝土中的钢筋作为骨架应用于高腐蚀环境的工程结构，可有效降低因采用各种防腐措施而增加的工程费用和日后的养护成本。

国内对玄武岩纤维筋应用于混凝土结构的研究才刚起步，且以高等院校为主，他们对玄武岩筋混凝土的力学性能开展了一定数量的试验研究［3］。李炳宏［4］等对截面为200mm×300mm、梁长3m的玄武岩纤维增强塑料筋混凝土梁受弯破坏形态有限元分析，指出BFRP筋混凝土梁的受弯破坏的破坏截面位于加载点附近；霍宝荣、张向东、宋洋［5］对截面为200mm×300mm、梁长2.06m的玄武岩纤维加筋梁抗弯性能进行了试验研究，指出荷载-挠度曲线近似为直线，开裂荷载和极限荷载并没有得到明显提高。而从其他文献来看，对玄武岩筋混凝土梁的抗剪性能研究较少。

表1 玄武岩纤维和其他纤维的主要性能Table 1 The main properties of basalt fiber and other fibers

本文开展玄武岩筋混凝土简支梁的抗剪性能试验研究，旨在分析不同剪跨比下玄武岩筋混凝土简支梁的破坏形式、开裂荷载、极限荷载和荷载-挠度关系等，为其在工程中的应用提供一定的参考。

1 试验概况

试验主要研究BFRP筋混凝土梁的受剪性能，构件由纯弯段、剪弯段和锚固段［6］组成。BFRP筋混凝土梁按照适筋梁进行设计，以确保构件发生破坏时，BFRP筋能够发挥到其极限拉伸强度的70%以上［7］，使其强度能够得到充分的利用。

混凝土设计强度等级为C30，坍落度55～70mm。实测7天强度为31.9MPa，28天强度为39.8MPa。试验制作6根试验梁，梁截面尺寸为b×h=100mm×200mm。梁长为分550mm、650mm和1200mm三种，计算长度分别为450mm、540mm和810mm，每种长度规格各2根。梁号命名规则，如G-1200表示底部受拉筋为2根φ8HPB235（X表示底部为2根φ8BFRP筋）、长1200mm的试验梁，上部架立筋均为2φ8的BFRP筋，箍筋间距100mm。

试验中BFRP筋采用江苏南京海拓复合材料有限责任公司的产品，名义直径8mm，表面形式为肋痕，材料性能如表2所示。

表2 BFRP筋性能Table 2 Properties of BFRP

试验利用分配梁采用三分点加载方式进行，在两端支座梁顶和跨中梁底布设百分表测读变形。试验开始时先进行预压，消除各部件间接触不良的影响。加载过程采用分级加载，每级荷载为10kN，当加载至理论开裂荷载时降低加载速度，并观察裂缝情况。试验中所记录的内容有：初裂荷载、斜截面初裂荷载、极限荷载、各级荷载作用下的挠度及应变等。

2 试验结果及分析

2.1 试验结果

试验结果如表3所示。

表3 试验结果Table 3 Test results

2.2 破坏形态

由于BFRP筋的材料特性，其混凝土梁的破坏形式有别于传统的钢筋混凝土梁，其破坏位置不是位于纯弯段中部附近，而是发生在分配梁的支座附近。这种破坏形式很大程度上与BFRP筋的材料特征和材料特性有着关系。首先在纯弯段出现竖向裂缝，随荷载的逐渐增大，剪弯段逐渐出现弯曲裂缝。纯弯段竖向裂缝缓慢向上发展，而剪弯段的斜裂缝发展很快，靠近支座处的斜裂缝向分配梁集中力作用点方向发展，而集中力作用点下面的弯曲裂缝则直接向上延伸。当荷载接近梁斜截面的极限承载力时，支座附近的斜裂缝迅速向集中力作用点发展并贯通，梁斜截面承载力达到极限而发生破坏。

BFRP筋混凝土梁的典型破坏形式如图1所示。

图1 混凝土梁典型破坏形态Fig.1 Typical failure modes of concrete beams

2.3 开裂荷载、极限荷载

BFRP筋混凝土梁的开裂荷载和极限荷载如表2所示。在相同的配筋率下，相同梁长的BFRP筋混凝土梁的开裂荷载基本相当。由于BFRP筋的弹性模量较低（约为钢筋弹性模量的20%左右），按照弹性理论，试验梁中BFRP筋换算面积仅占构件换算截面总面积的1.3%-1.6%。因此，BFRP筋的换算面积对构件换算截面惯性矩的贡献是相当微小的，故其抗裂承载力基本相当。

图2 不同梁长的荷载比较Fig.2 Loads of different length beam

2.4 剪跨比的影响

由表4可知，BFRP筋混凝土梁的斜截面初裂荷载和极限荷载均与剪跨比有关。根据文献［6］，剪跨比在一定范围内减小时，抗剪强度逐渐提高，本试验亦符合此变化规律。

分析可知，剪应力与纵向弯曲正应力组合产生的斜拉应力是导致剪切破的真正原因，当剪跨比在一定范围内减小时，有利于提高混凝土梁斜截面的抗剪承载力。对比分析BFRP筋混凝土梁的极限荷载和斜截面初裂荷载可知，随着剪跨比的减小，斜截面初裂荷载与极限荷载逐渐接近。

表4 剪跨比对抗剪性能的影响Table 4 Affect of shear span ratio on shear behavior

2.5 荷载-挠度曲线

根据试验数据，绘制BFRP筋混凝土梁试件的荷载-挠度关系曲线如图3所示。BFRP筋混凝土梁的荷载-挠度关系曲线大致可以分为两段，其转折点即对应于构件开裂的临界状态。构件开裂之前，混凝土梁基本上处于弹性工作状态，因而其荷载-挠度关系基本上呈线性发展；构件开裂以后，由于受拉区混凝土陆续退出工作，构件挠度开始出现较快的增长，这表现为荷载-挠度关系曲线发生转折。基于BFRP筋线弹性的材料性质，构件开裂后，其荷载-挠度关系基本上呈线性发展。

图3 各梁的荷载-挠度曲线Fig.3 Load-deflection curve of beams

3 结论

通过6根不同长度和剪跨比的混凝土梁试验，可得到如下结论：

（1）由于BFRP筋为线弹性材料，没有屈服流限，BFRP筋混凝土梁均发生斜截面脆性破坏，破坏位置集中在分配梁支点附近；

（2）在相同的条件下，BFRP筋混凝土梁的初裂抗剪强度随剪跨比减小逐渐提高；随剪跨比减小，初裂抗剪强度与极限承载力逐渐接近；

（3）BFRP筋混凝土梁开裂前，构件挠度增长缓慢，混凝土开裂后，挠度的发展明显加快。

［1］谢尔盖，李中郢.玄武岩纤维材料的应用前景［J］.纤维复合材料.2003（3）:17-20.

［2］王岚，陈阳，李振伟.连续玄武岩纤维及其复合材料的研究［J］.玻璃钢 /复合材料.2000（6）:22-24.

［3］吴锋，时蓓玲.FRP筋混凝土简支深梁力学性能试验研究［J］.水运工程.2010（4）:15-17.

［4］李炳宏，江世永，飞渭.玄武岩纤维增强塑料筋混凝土梁受弯破坏形态有限元分析［J］.中国塑料.2010，24（4）:70-75.

［5］霍宝荣，张向东，宋洋.玄武岩纤维加筋梁抗弯性能试验研究［J］.工业建筑.2011，41(8):42-45.

［6］师晓权，张志强,李志业，娄西慧.GFRP 筋混凝土梁抗剪承载力影响因素［J］.西南交通大学学报.2010，45（6）:898-913.

［7］张玉成，徐德新.新型 FRP 筋混凝土受弯梁正截面承载力设计［J］.建筑技术开发.2004，31（10）:8-10.