BFRP筋混凝土梁受弯性能的试验研究∗

田盼盼，沙吾列提拜开依，潘 梅，刘 哲，努尔哈孜居尼斯

(新疆大学 建筑工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047)

0 前言

钢筋混凝土梁普遍存在自重偏大、抗裂性差、耐腐蚀性差等问题，尤其钢筋易锈蚀，对钢筋混凝土结构承载力有很大的威胁.而FRP(Fiber Reinforced Polymer)筋作为一种新型复合材料，具有抗疲劳、抗磁性、电绝缘性、徐变小、比重小等优点，且热膨胀系数与混凝土的热膨胀系数接近，尤其具有良好的耐腐蚀性，可以用来代替混凝土梁中的部分普通钢筋，解决由钢筋锈蚀引起的工程失效问题[1−3]，因此，FRP筋混凝土结构是一种具有良好发展前景的新型结构.

BFRP筋是FRP筋的一种，它是由多股玄武岩纤维与树脂基体材料结合，经挤压、拉拔成型等形成的[1−3].BFRP筋具有良好的热稳定性、耐腐蚀性、防火性、抗冲击性能和轻质高强，与树脂结合的界面粘结强度高，尤其是其材料来源广泛、制造成本低，在价格上比CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer)筋要便宜[4,5]，是经济实用的新型材料.目前，国内学者对FRP筋和FRP筋混凝土梁进行的试验研究较多，但对BFRP筋和BFRP筋混凝土梁试验研究相对较少.已有的研究成果表明，FRP筋混凝土梁的破坏模式主要有三种形式：适筋破坏、少筋破坏和超筋破坏[6,7].本次试验仅对2组适筋梁和1组超筋梁进行试验研究，分别设计了BFRP筋混凝土简支梁试件及相应的普通钢筋混凝土简支梁对比试件，分析了两者的开裂弯矩、裂缝特征和裂缝发展趋势以及变形情况，为BFRP筋混凝土梁受弯性能设计提供一定的参考依据.

1 试件设计与制作

1.1 材料力学性能

BFRP筋采用φ6和φ10，BFRP筋抗拉试样总长为500 mm，锚固长度为150 mm，用环氧树脂粘接和无缝钢管锚固的方法对其进行了基本力学性能试验[8].由四川航天拓鑫玄武岩实业有限公司所提供BFRP筋实测平均拉伸强度为1 048 MPa（BG1210494-6）.普通纵向受力钢筋采用HRP335级，钢筋抗拉试样总长为500 mm，锚固长度为150 mm.

1.2 试件设计

为了方便对比分析，试验先根据普通钢筋混凝土梁配筋率和破坏模式之间的关系，设计了2个普通混凝土适筋梁和1个普通混凝土超筋梁，然后根据公式(1)设计了配筋率与普通钢筋混凝土梁相近的3个BFRP筋混凝土梁.

式(1)中fy是普通钢筋抗拉强度设计值；ffy是BFRP筋抗拉强度平均值；AS是纵向受拉钢筋截面面积；Af是BFRP筋截面面积，b是梁截面宽度，h0是截面有效高度.各试件的配筋如图1和表1所示.图1中②筋均采用2φ8，③筋均采用φ6@65.表1中的BF为BFRP筋混凝土梁，BG为普通钢筋混凝土梁.

图1 试件配筋示意图

表1 各梁截面配筋参数

1.3 试验量测设置

三组试件均在梁跨中以及两支座处各安装一个位移计，测量跨中挠度和支座位移；在图1中每根①号筋跨中粘贴应变片，测量BFRP筋或钢筋的应变；在梁跨中截面的混凝土顶面、底面及侧面粘贴应变片，混凝土应变片布置如图2所示.

1.4 试验加载设置

试验采用两点加载，加载位置和装置如图1和图3所示，荷载采用分级加载，荷载分级为开裂前每级20 kN，开裂后每级10 kN，直至梁破坏.试验在新疆大学建筑工程学院结构大厅进行.数据采用DH3818静态应变测试系统自动采集和记录.

图2 混凝土应变片布置图

图3 梁加载方式图

2 试验现象与承载力分析

2.1 试验现象分析

试件BF1、BF2和BF3的裂缝发展形态相似，均在梁完全破坏前，出现大量细微裂缝，且裂缝沿梁长均匀分布，随着荷载的增加，裂缝逐渐开展变宽，直至完全破坏.从图4可以看出三个试件的最终裂缝主要是沿梁长均匀分布的竖向裂缝，破坏时，试件裂缝宽度相对同组普通钢筋混凝土梁较宽.

试件BG1、BG2和BG3的裂缝发展形状相似，均在梁完全破坏前，出现较少的细微裂缝，且裂缝主要集中在梁跨中附近，随着荷载的增加，裂缝逐渐开展变宽，直到梁完全破坏.从图4可以看出三个试件最终出现竖向裂缝和斜裂缝，竖向裂缝主要集中在梁跨中附近，斜裂缝主要出现在加载点和支座之间.

图4 三组试件裂缝图

2.2 承载力分析

2.2.1 荷载—挠度曲线

三组试验中测定了构件两端及跨中竖向位移，计算跨中挠度，并绘制了荷载—挠度曲线，即P−f曲线，如图5所示.由于BFRP筋没有屈服阶段，弹性模量比钢筋小，因此，BFRP筋混凝土梁P−f曲线与钢筋混凝土梁P−f曲线差别较大.

图5 三组试件P−f曲线

BFRP筋混凝土梁的荷载—挠度关系曲线在截面开裂前期为近似直线，未裂和开裂没有明显的界限，但是开裂以后，在加载后期体现出一定的非线性，纵向受拉钢筋未屈服，仍处于弹性阶段，但受压区混凝土已被压碎.BFRP筋抗拉没有屈服台阶、弹性模量小于钢筋，因此，BFRP筋混凝土梁P−f曲线没有明显的转折点.

钢筋混凝土梁试件，开裂前，混凝土梁刚度较大，挠度变化缓慢，P−f曲线斜率较大，而开裂后，普通钢筋混凝土梁刚度骤然降低，P−f曲线斜率较小.在配筋率接近的情况下，BFRP筋混凝土梁的极限承载力小于普通钢筋混凝土梁.BFRP筋混凝土梁受弯承载力与普通混凝土梁相似，配筋率越高其极限承载力越高，如图6所示.

图6 试件P−f曲线

2.2.2 正截面受弯承载力计算

为了方便三组试验的对比，对普通钢筋混凝土梁和BFRP筋混凝土梁都进行了极限荷载理论值的计算.对于普通钢筋混凝土梁极限荷载理论值计算时采用《混凝土结构设计规范》[9]的计算方法，计算超筋梁时，相对受压区高度取界限受压区高度.其普通钢筋混凝土试件计算过程如下

式(2)中α1是试件受压区混凝土矩形应力图的应力值与混凝土轴心抗压强度设计值的比值；fc是实测混凝土轴心抗压强度设计值；b是梁截面宽度；x是试件矩形应力图受压区高度；fy是纵向钢筋实测抗拉强度设计值；As是纵向受拉钢筋截面面积；式(3)中M是试件弯矩设计值；h0是试件截面有效高度；式(4)中Pu是试件极限承载力理论值.

对BFRP筋混凝土梁极限荷载理论值的计算是用《纤维增强复合材料建设工程应用技术规范》[10]公式进行计算，其计算过程如下式(6)中ρf是纵向受力FRP筋的配筋率；ρfb是BFRP筋混凝土梁平衡配筋率；ffd是BFRP筋抗拉强度设计值（按文献[10]计算）；式(7)中ffe是BFRP筋的有效设计应力值；式(9)中ξfb是相对界限受压区高度；εcu是非均匀受压时混凝土极限压应变值；Ef是BFRP筋弹性模量.

三组试件的试验基本参数如表2所示，试件试验分析计算结果如表3所示.

表2 试件试验基本参数

根据对BFRP筋混凝土梁破坏模式的定义，三个试件均是ρfb≤ρf，可判断三个BFRP筋混凝土梁均为超筋破坏，且试件破坏模式也是如此.

表3 试件数据分析计算结果

表3(Pu为极限荷载理论值)数据结果表明，与同组普通钢筋混凝土梁相比，BFRP筋混凝土梁的承载力较低，这一点与文献[11]的试验结果相似，这是因为BFRP筋的弹性模量比普通钢筋小，因此在荷载不大的情况下会产生较大的挠度和裂缝宽度，BFRP筋强度尚未屈服，而受压区混凝土较早压碎破坏.

对三个BFRP筋梁分别用普通钢筋混凝土公式和BFRP筋混凝土公式进行计算，结果表明，用BFRP筋混凝土梁公式进行计算，数据更接近试验值.

2.2.3 混凝土最大压应变

三组试件的荷载—受压区混凝土最大压应变曲线见图7.同组试件相比，在试件还没有破坏的区段中，同级荷载下，BFRP筋混凝土梁的应变大于同组的普通钢筋混凝土的应变，这是由于BFRP筋的弹性模量比普通钢筋小，所以在相同荷载作用下，BFRP筋混凝土梁挠度变形比普通钢筋混凝土梁挠度变形大.

图7 三组试件P−εc曲线

2.2.4 平截面假定验证

由图8所示，梁跨中截面应变沿截面高度的分布通过同一点，但是没有通过截面的形心，中性轴在梁偏上的位置，在加载的每级荷载下，梁跨中截面应变沿截面高度基本上呈一条直线，综合上述分析，BFRP筋混凝土梁跨中截面的应变基本上符合平截面假定.

图8 梁跨中截面混凝土应变沿截面高度的分布图

3 结论

本文通过对BFRP筋混凝土简支梁受弯性能的试验研究，得到的结论如下：

1.与普通钢筋混凝土梁相比，BFRP筋混凝土梁在荷载作用下裂缝沿全梁均匀分布，且主要为竖向裂缝，而普通钢筋混凝土梁的裂缝主要分布在跨中，且受剪区段有明显的弯剪裂缝；

2.理论值和试验值对比结果表明，采用BFRP筋混凝土梁的正截面承载力设计方法计算BFRP筋混凝土梁的正截面承载力具有较高的准确性；

3.与同组的普通钢筋混凝土梁相比，BFRP筋混凝土梁的承载力较低，主要原因是BFRP筋弹性模量小，在荷载不大的情况下会产生较大的挠度和裂缝宽度，导致受压区混凝土较早被压碎破坏，而BFRP筋的抗拉强度没有得到充分发挥，故BFRP筋混凝土梁均发生了类似超筋破坏.但是，梁最后破坏时其梁的扰度和裂缝宽度也超过了规范限值，则可以认为BFRP筋混凝土梁的最终破坏是由挠度和裂缝控制的，而不是梁的正截面受弯或斜截面受剪承载力控制；

4.梁跨中截面应变沿高度的分布情况表明，BFRP筋混凝土梁截面基本符合平截面假定.