玄武岩纤维与碳纤维加固连续梁抗弯试验研究

欧阳利军，丁 斌，陆洲导，余江滔

（1.同济大学 航空航天与力学学院，上海200092；2.同济大学 土木工程学院，上海200092；3.温州职业技术学院 建筑工程系，浙江 温州325035）

玄武岩纤维复合材料（BFRP）是一种新型无机纤维复合材料.玄武岩纤维与目前使用较为广泛的碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维相比具有较强的综合性能［1－4］：①抗拉强度较高（国产玄武岩纤维布抗拉强度已达到2 300MPa）；②延性好（约为碳纤维的1.5倍）；③耐高温和耐腐蚀性能较强；④价格低廉（约为碳纤维的1／5～1／6）；⑤绿色环保（通过玄武岩熔融后物理加工而成）.玄武岩纤维复合材料将在工程结构加固领域具有良好的应用前景［5］.

纤维复合材料加固连续梁在既有混凝土框架结构加固工程中的应用非常普遍.混凝土连续梁在荷载作用下会发生内力重分布，局部会形成塑性铰，结构的内力按各截面之间的刚度比值分配.当各控制截面出现塑性铰后，连续梁发生机构破坏而丧失承载力.当连续梁中支座截面先于跨中截面出现塑性铰时，连续梁的破坏表现出较好的延性［6］.

采用纤维复合材料加固混凝土受弯构件是提高构件抗弯承载力的一种行之有效的方法［7－11］.本文以实际工程中经常遇到的连续梁负弯矩区纤维布绕过柱粘贴的情况为工程背景，进行了7根玄武岩纤维布与碳纤维布加固的混凝土T 形截面连续梁和1根对比梁的抗弯试验研究.

1 试验概况

1.1 构件尺寸和配筋

为考虑实际工程中混凝土楼板参与受力，连续梁试件设计成T 形截面，试件包括7根加固梁和1根对比梁.各试件均采用C30混凝土和相同的配筋形式，截面尺寸为150 mm×250 mm，板厚hf＝60 mm，板宽bf＝800mm.混凝土立方体抗压强度平均试验值为37.0MPa.试件尺寸、截面配筋情况如图1所示，钢筋、纤维布的材性试验值如表1，2所示.

图1 试件配筋图（单位：mm）Fig.1 Specimen and reinforcement arrangement（unit：mm）

1.2 加固方案及加载制度

工程中经常遇到梁柱节点处无法在梁支座负弯矩段内粘贴纤维的情况，因而采取在柱两侧板的有效宽度范围内粘贴纤维的方法［12］.各加固梁板面均粘贴一层纤维布，其中4根加固梁梁底分别粘贴1～4层玄武岩纤维布，3 根加固梁梁底分别粘贴1～3层碳纤维布，加固方案如图2所示.连续梁跨内全段均粘贴U 型箍以加强锚固并避免试件发生剪切破坏.对比梁和加固梁编号及加固方式见表3.

图2 加固设计示意图（单位：mm）Fig.2 Design of strengthened specimens（unit：mm）

表1 钢筋的力学性能指标Tab.1 Mechanics properties of reinforcement

表2 纤维布物理力学性能指标Tab.2 Properties of fiber reinforced polymer（FRP）

表3 试件概况Tab.3 Details of test specimens

试验过程中所有构件均采用手动控制千斤顶进行加载，并由压力传感器控制分级荷载.千斤顶以相同荷载同步加载，正式加载前进行预载，预加载完成并卸载到初始状态后，采用分级加载制度，以5kN的步长对构件进行加载，直到构件破坏.试验装置如图3所示.

2 试验现象及分析

2.1 破坏现象

图3 试验装置及挠度测点布置图（单位：mm）Fig.3 Test set－up and linear variable differential transformer arrangement（unit：mm）

B－0首先在跨中梁底出现微裂缝，宽度约为0.03mm，开裂荷载为20kN.随着荷载增加，跨中梁侧裂缝数量、宽度增加，走向与梁轴线垂直，裂缝间距与箍筋间距相近.随后新增裂缝陆续远离加载点，向两边支座扩散.加载初期，跨中处以受弯裂缝为主.荷载继续增加时，支座负弯矩段出现横向裂缝，此时的开裂荷载为41kN.随后，中支座处梁侧出现弯剪裂缝，裂缝走向由上至下.荷载达到85kN 时，跨中纵筋屈服.接近破坏时，中支座处翼缘裂缝与弯剪裂缝连通，如图4b所示.荷载继续增加时，加载点处翼缘也出现裂缝，并向梁肋靠近.此时，中支座处与跨内竖向裂缝均向加载点延伸.荷载达到120kN时，跨中挠度达到40.2mm，试件发生受弯破坏，破坏形态如图4a，4b所示.

各加固梁首先在跨中梁底出现微裂缝，开裂荷载与B－0相近，约为20kN.荷载增大直到纵筋屈服，B－B1，B－B2，B－B3的破坏形态均与B－0相似，但相比之下，跨中和支座处的裂缝均得到了明显抑制，中支座板面开裂稍许延迟，开裂荷载约45 kN.B－B1荷载达到90kN 时，跨中纵筋屈服.加载到129kN 时，右跨挠度达到40mm，跨中纤维布拉断，试件破坏，板面破坏形态如图5所示.B－B2荷载达到94kN 时，跨中纵筋屈服.加载到140kN 时，跨中纤维布拉断，达到极限承载状态，跨中最大挠度为22.5mm，破坏形态如图6所示.荷载达到98kN时，B－B3跨中纵筋屈服，加载到135kN 时，局部U形箍翘曲剥离，150kN 时挠度迅速增加进而试件破坏.荷载达到100kN 时，B－B4跨中纵筋屈服.荷载增加到152kN 时，纤维布拉裂，同时跨中处发生U形箍与混凝土的剥落破坏，箍筋与纵筋外露，混凝土压坏，B－B4跨中梁底破坏形态如图7所示.

从开始加载到跨中纵筋屈服，B－C1，B－C2破坏形态与B－B1相似，中支座板面开裂荷载分别为54kN 和55kN.破坏时纤维布突然断裂，试件变形较小，跨中加载点最大挠度均小于跨度的1／100倍，中支座处混凝土仅出现微裂纹，裂缝宽度约为0.08 mm，跨中裂缝约为0.3mm.B－C3破坏时，板面及跨中混凝土开裂均不明显，跨中处纤维布未拉裂，支座和跨中处受拉纵筋均未屈服，中支座处混凝土压坏导致U 形箍、端部纤维布与混凝土大块剥离，钢筋外露.破坏形态如图8所示.

图4 B－0破坏形态Fig.4 Pictures of B－0at failure

图5 B－B1破坏形态Fig.5 Pictures of B－B1at failure

图6 B－B2破坏形态Fig.6 Pictures of B－B2at failure

图7 B－B4破坏形态Fig.7 Pictures of B－B4at failure

图8 B－C3破坏形态Fig.8 Pictures of B－C3at failure

2.2 破坏模式

2.2.1 纤维布拉断

B－B1，B－B2，B－B3，B－C1，B－C2均以跨中纵筋屈服后，中支座处梁顶纵筋屈服继而混凝土压坏，跨中纤维布断裂为破坏模式.这种破坏模式具有明显征兆：当连续梁跨中纵筋屈服后，梁侧及中支座处板面可见明显裂缝，梁相对中支座转角明显增加，此后中支座处梁顶纵筋屈服、混凝土压坏，并形成塑性铰，随后跨中截面形成塑性铰，加固梁发生机构破坏.

2.2.2 混凝土受压破坏

B－B4，B－C3均发生混凝土受压破坏.U 型箍、梁底纤维布、混凝土一起发生剥离破坏，纵筋和箍筋外露.B－B4中支座处梁顶纵筋屈服后，跨中截面混凝土压坏，纤维布拉裂，可判断为跨中处混凝土发生受压破坏；B－C3受载过程中，中支座处梁顶纵筋始终未达到屈服，未形成塑性铰，直到中支座截面混凝土发生受压破坏导致加固梁发生破坏，脆性破坏特征明显.

2.3 承载力

由表4可知，各加固梁的屈服荷载、极限荷载均有不同程度的提高，BFRP 布加固梁跨中截面屈服荷载最大提高幅度为17.6%，极限荷载最大提高幅度为26.7%.CFRP 布加固梁跨中截面屈服荷载最大提高幅度为38.8%，极限荷载最大提高幅度为37.5%.CFRP布对梁的抗弯承载力提高贡献较大；各加固梁跨中截面开裂荷载均在20kN 左右，纤维布加固量的变化对跨中截面开裂荷载无明显影响.BFRP布加固梁中支座截面开裂荷载为45～47kN，而CFRP布加固梁中支座截面开裂荷载为52～54 kN，跨中截面开裂后，加固梁刚度对中支座截面开裂荷载影响较大.

2.4 挠度

由图9可知，相对CFRP布加固梁，同等工况下的BFRP 布加固梁延性较好，从试件屈服到破坏的征兆更明显.各加固梁从加载初期至中支座截面混凝土开裂前，荷载－挠度曲线基本重合.加固梁中支座截面混凝土开裂至纵筋屈服前，荷载－挠度曲线斜率随着纤维布加固量的增加有明显增大趋势.加固梁跨中纵筋屈服后，由于CFRP布具有较高的弹性模量，CFRP布加固梁荷载－挠度曲线的斜率增长明显，且直到破坏时的跨中挠度也远小于BFRP 布加固梁.

表4 试验结果和破坏模式Tab.4 Test results and failure modes

图9 各试件荷载—跨中挠度曲线Fig.9 Load－displacement curve at mid－span

2.5 混凝土和纤维应变

图10，11为各试件跨中，中支座截面受压区混凝土压应变－荷载关系曲线.中支座截面混凝土压应变均大于跨中板面混凝土压应变，跨中板面混凝土压应变均不超过1 000×10－6，楼板参与了受压.混凝土压应变－荷载关系曲线趋势表明：因中支座处混凝土受压区面积较小，梁顶纵筋屈服后，受压区高度随着荷载增加迅速，受压区混凝土较快达到了极限应变.当跨中截面加固量较大时，梁整体刚度较大，限制了中支座和跨中截面的转动，中支座处混凝土板面纤维布、梁顶钢筋及板钢筋共同参与受拉，因而中支座截面受压区混凝土保持相对较大的应变值.

图10 跨中截面混凝土压应变—荷载曲线Fig.10 Load－concrete strain curve at mid－span

图11 中支座截面混凝土压应变—荷载曲线Fig.11 Load－concrete strain curve at middle－support

图12，13给出了各试件跨中和中支座截面纤维布拉应变－荷载曲线.跨中纵筋屈服前，主要由混凝土和钢筋共同受弯，当纵筋屈服后，纤维布较大程度地参与承担弯矩，中支座转动幅度增大，因而跨中截面达到屈服荷载时，跨中截面和中支座截面纤维布拉应变增长速率也呈增加趋势.

图12 跨中截面纤维拉应变—荷载曲线Fig.12 Load－FRP strain curve at mid－span

图13 中支座板面纤维拉应变—荷载曲线Fig.13 Load－FRP strain curve at middle－support

中支座板面纤维拉应变－荷载曲线总体趋势表明：随着跨中截面纤维加固量的增加，加固梁整体刚度增大，中支座相对转动幅度较小，纤维拉应变随荷载增长速率减小.试验观察发现，中支座板面开裂后易发生纤维与混凝土面层剥离现象，实际工程中，应加强此处纤维布的锚固措施.

2.6 BFRP布抗弯加固允许拉应变

BFRP布加固混凝土梁时，应保证BFRP 布具有一定的安全储备，BFRP 布的允许拉应变值对加固设计尤为重要.国内外颁布的加固规范、规程［12－15］中都有关于如何确定纤维布允许拉应变限值的规定.文献［15］中对纤维布允许拉应变［εf］的取值做了较详细的规定：

式中：εfu为极限拉应变设计值为厂商提供的极限拉应变；CE为环境折减系数；φ为设计公式中的延性折减系数；Ψf为强度折减系数；κm为受弯构件考虑粘结的折减系数，即纤维片材厚度折减系数.

常用的碳纤维片材的弹性模量在120～250 GPa之间［15－16］，粘贴1～4 层，单层厚度为0.111～0.167mm，根据美国混凝土学会对碳纤维布允许拉应变的限值公式经过计算得到

式中：［εcf］为碳纤维布允许拉应变.

本试验采用的BFRP布厂商提供的极限拉应力为2 100 MPa，极限拉应变约为23 000×10－6.而试验时，BFRP 布断裂时平均拉应变约为16 500×10－6，因而对极限拉应变进行折减，得到BFRP布允许拉应变

式中：［εbf］为BFRP布允许拉应变为厂商提供的BFRP布极限拉应变；κb为BFRP 布极限拉应变折减系数.

2.7 加固梁跨中截面抗弯承载力计算

文中试验梁均为一般混凝土受弯构件，对粘贴1～3层BFRP 布的加固梁（破坏模式为钢筋屈服后，纤维布拉断）的跨中截面抗弯承载力进行简化计算.由表5中的数据可知，跨中截面计算值与实测值较接近，且计算值有一定的安全储备.结合上述计算结果、已有试验数据并参考各规范、规程中关于纤维复合材料允许拉应变限值的规定，BFRP 布在一般环境中抗弯加固的极限拉应变折减系数κb可取0.50，并建议国产BFRP布加固混凝土受弯构件，对于重要构件的允许拉应变［εbf］不超过0.007，对于一般构件不超过0.01.

表5 跨中截面抗弯承载力计算值和试验值Tab.5 Calculated values and test values of flexural capacity at mid－span

3 结论

对7根采用BFRP布与CFRP布分别加固的T形截面混凝土连续梁和1根对比梁进行抗弯试验研究，并对BFRP 布加固梁跨中截面抗弯承载力进行计算分析后，得到以下结论：

（1）对发生弯曲破坏的加固梁，跨中纵筋屈服后，中支座处梁顶纵筋屈服继而混凝土压坏，形成塑性铰.随后，跨中截面纤维布断裂，破坏过程具有明显征兆.对于发生混凝土受压破坏的梁，U 型箍、梁底纤维布、混凝土保护层一起发生剥离，纵筋和箍筋外露，脆性破坏特征明显.

（2）BFRP布加固混凝土梁的屈服荷载、极限荷载均有不同程度的提高：中支座截面屈服荷载提高幅度为30.0%～50.0%，跨中截面屈服荷载提高幅度为5.9%～17.6%，极限承载力最大提高幅度为26.7%；而CFRP 布加固梁的提高幅度分别为50.0%～56.3%，11.8%～38.8%和37.5%.相比之下，CFRP布加固能更大程度地提高连续梁的抗弯承载力.

（3）参考现有规范、规程及本文试验数据，建议国产BFRP布加固混凝土受弯构件的允许拉应变取厂商提供的极限拉应变值的0.5倍，且对于重要构件不超过0.007，对于一般构件不超过0.01.以此为依据，对本试验中BFRP 布加固梁跨中截面承载力进行计算，得到的承载力设计值具有一定的安全储备.

（4）实际工程中，对混凝土构件抗弯承载力提高幅度要求不高且要求较好延性、耐腐蚀性的情况下，玄武岩纤维复合材料可混杂或替代玻璃纤维和碳纤维复合材料使用.

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