BFRP筋再生混凝土无腹筋梁开裂荷载试验研究★

彭长岭 刘华新

(辽宁工业大学土木建筑工程学院，辽宁 锦州 121001)

传统混凝土结构中，钢筋锈蚀仍是导致构件性能退化和耐久性降低的难题。为解决这一问题，纤维增强塑料(Fiber Reinforced Polymer,FRP)筋材替代钢筋被广泛提出,FRP筋无磁性，轻质高强、耐腐蚀[1-3]，可以避免钢筋锈蚀对结构所带来的损伤，从而提高结构寿命和降低结构昂贵的维护成本。同时为解决天然石材的过度开采，保护生态环境及废旧混凝土处理不当引起的环境污染问题。许多学者[4-6]对再生混凝土进行了阶段性的研究。

对于FRP筋和再生混凝土的研究，多数是单一的作为研究对象进行研究。将FRP筋与再生混凝土两种材料结合起来，将成为解决建筑行业可持续发展问题的重要途径之一，但运用于结构构件在国内外还鲜见报道。开裂荷载作为衡量构件抗裂性能的重要指标和预应力构件力学性能计算的重要参数，在工程设计和试验研究中，都会涉及到开裂荷载的取值,因此对BFRP筋再生混凝土无腹筋梁的开裂荷载进行研究具有较大的工程价值和意义。本文通过对9根BFRP筋再生混凝土无腹筋简支梁的抗剪试验研究，分析了BFRP筋配筋率、剪跨比、截面高度和混凝土抗压强度对BFRP筋再生混凝土无腹筋梁的开裂荷载影响。并将BFRP筋再生混凝土无腹筋梁的开裂荷载的试验值与当前开裂荷载计算的理论值进行比较分析，为以后在工程设计和实验研究中，涉及到BFRP筋再生混凝土无腹筋梁开裂荷载的取值问题，提供一定的理论依据。

1 试验概况

1.1 试验材料

试验材料来源和性能见文献[7]。试验梁纵筋采用直径为16 mm的玄武岩纤维筋，极限抗拉强度为1 123 MPa，弹性模量为51.3 GPa。

1.2 实验设计

试验中设计的混凝土配合比见表1。

表1 混凝土配合比

1.3 试验装置以及加载方式

试验采用5 t弯剪压力试验机，四点弯曲加载，由分配梁实现，试验加载示意图如图1所示，加载过程严格按照相关规范进行，加载采用1 kN/s的速率持续加载方式，直至试件破坏。

2 试验结果及分析

2.1 试验现象

除BF-3梁外其他梁均发生剪切破坏，BF-3梁发生弯剪破坏，如图2所示。加载初期梁的裂缝开展情况与剪切破坏类似，均先产生弯曲裂缝，再产生斜裂缝。荷载加载到极限荷载时，梁的垂直裂缝迅速贯穿整个截面，导致受压区混凝土高度急剧下降，梁发生弯剪破坏。其他试验梁的剪切破坏过程与普通混凝土梁基本无差别。典型破坏形态以BF-2为例，见图3。

2.2 开裂荷载影响因素分析

2.2.1剪跨比的影响

图4为不同剪跨比下的开裂荷载折线图。对比BF-1，BF-2，BF-3这3根试验梁数据可以明显的看出，其他条件相同下,BFRP筋再生混凝土梁初裂抗剪强度与剪跨比有关，随着剪跨比的增加BFRP筋再生混凝土梁的开裂荷载逐渐降低。当剪跨比提高0.19%时，开裂荷载降低了46.67%，剪跨比再次提高0.29%时，开裂荷载降低了5%，实验梁开裂荷载的下降程度有所降低，但是仍处于下降的趋势。这是因为再生混凝土的受压会抑制裂缝的开裂，当剪跨比较小时，混凝土的压应力对于斜裂缝的开裂抑制作用较明显，会提高混凝土斜截面开裂荷载。所以随着剪跨比的增加，混凝土压应力逐渐减小，斜开裂荷载也随之减小。这与文献[9][10]所得结论一致。

2.2.2配筋率的影响

普通混凝土梁纵筋率的增加不仅可以提高梁的刚度，还可以增大纵筋与混凝土的接触面积，提高纵筋和混凝土的粘结强度，从而降低梁的弯曲变形和纵筋与混凝土的相对滑移，最终提高梁的开裂荷载。但提高的效果并不很明显，因为当梁开裂时，主要受混凝土的控制，纵筋应力很小，起到的作用不明显。图5显示了其他条件相同下，不同配筋率对开裂荷载的影响。对比BF-1，BF-4，BF-5这3根梁实验数据，可以看出BFRP再生混凝土无腹筋梁开裂荷载与配筋率有关，当配筋率从0.77%提高到0.92%时，开裂荷载提高了10.7%。但是当配筋率继续增加到1.16%时，开裂荷载反而降低了51.8%。这可能与BFRP筋有较大的抗拉强度的特性有关，也有可能因为试验时，初开裂状态靠肉眼辨别，使试验结果产生了随机性和离散性。总之，从图5可以看出，在一定范围内提高配筋率可以小程度的提高试验梁的开裂荷载。

2.2.3截面高度影响

图6显示了不同截面高度下BF-1，BF-6，BF-7的开裂荷载。可以看出，BFRP筋再生混凝土无腹筋梁的开裂荷载与梁的截面高度有关。当试验梁的截面高度从300 mm增加到350 mm时，梁的开裂荷载提高了52%，当截面高度增加到400 mm时，梁的开裂荷载提高了5.3%。因为一方面，在简支梁中，梁的有效高度与剪跨比成反比例关系，随着试验梁的有效高度增加，梁的剪跨比逐渐减小，从而导致梁的开裂荷载增大。另一方面，截面高度的增加提高了梁的刚度和梁内骨料咬合力。

2.2.4混凝土抗压强度的影响

普通混凝土梁的开裂是由于混凝土的主拉应力达到混凝土的极限抗拉强度所致，随着混凝土的抗压强度提高，其抗拉强度将有所提高。因此BFRP筋再生混凝土梁开裂荷载同样受到再生混凝土的抗压强度影响。图7为其他参数相同下，不同混凝土抗压强度对开裂荷载的影响。可以看出，再生混凝土抗压强度与BFRP筋再生混凝土无腹筋梁的开裂荷载大致成线性函数关系。当再生混凝土强度提高26.8%，23.1%时，试验梁的开裂荷载分别提高了2.67%，6.5%，梁的开裂荷载随着混凝土的强度提高，逐渐增大，提高的幅度相差并不是很大。

3 相关规范比较

3.1 ACI 318M-05规范[11]的计算方法

根据ACI 318M-05规范，开裂荷载的计算方法为：

3.2 过镇海[12]的计算方法

按材料塑性变形计算，将简化后得到的截面应力计算模型建立平衡方程，最终得到开裂荷载的计算方法：

Mcr=0.256ftbh2。

其中，ft为混凝土抗拉强度;b为梁的截面宽度；h为梁的高度。

3.3 吴瑾，丁东方[13]和徐广舒[14]的计算方法

通过对再生混凝土梁的正截面的开裂荷载的试验研究，文献[8]和文献[9]得出了相同的再生混凝土梁开裂荷载计算方法：

Mcr=1.224W0ft。

表2 开裂荷载试验值与理论值及其比值

将BFRP筋再生混凝土无腹筋梁的开裂荷载的试验值与理论值进行比较，见表2。

由表2可以看出，ACI 318M-05规范[11]和吴瑾等[13]和徐广舒[14]计算得到的开裂荷载理论值基本上都小于实验值，具有一定安全储备量。过镇海[12]计算得到的开裂荷载理论值较实验值大，偏于不安全。三种不同的开裂荷载计算方法得到的理论值与实验值的比值的变异系数均达到了0.25，其偏差和离散性较大。由此表明当前的开裂荷载计算方法已经不再适用BFRP筋再生混凝土无腹筋梁的开裂荷载计算。

4 结语

通过对9根BFRP筋再生混凝土无腹筋梁的抗剪试验研究，探究了剪跨比，配筋率，截面高度，混凝土强度对BFRP筋再生混凝土无腹筋梁开裂荷载影响程度，得到以下结论：

1)BFRP筋再生混凝土无腹筋梁均发生脆性破坏，裂缝首先出现在梁的纯弯段，最终破坏位置集中在分配梁的支点附近。

2)在相同条件下，BFRP筋再生混凝土梁的开裂荷载随着剪跨比的增加而减小，但减小的程度有所降低。

3)在一定范围内，增加纵筋率、截面高度和再生混凝土抗压强度能提高BFRP筋再生混凝土梁的开裂荷载。

4)当前的开裂荷载计算方法已经不再适用于BFRP筋再生混凝土无腹筋梁开裂荷载的计算。