FRP箍筋混凝土梁斜裂缝宽度实验研究

李文龙，张 苛，于 干，谢 巍

（阜阳师范大学 信息工程学院，安徽 阜阳 236041）

随着我国建筑工程技术的快速发展，人们对现代工程的质量要求也越来越严格，而钢筋骨架的锈蚀是影响结构质量的主要因素，特别是裸露在钢筋骨架最外侧的箍筋更容易被大气中的侵蚀性离子腐蚀[1-2]。纤维复合材料（fiber reinfoeced polymer,FRP）筋作为一种新型的高耐腐蚀性能材料，将其代替普通钢筋应用于腐蚀条件下的混凝土结构中，可有效解决钢筋的锈蚀问题，能够大大提高结构的耐久性能；同时，FRP筋具有强度高、电磁性、绝缘性好等性能优势，在混凝土结构中将具有更广阔的应用前景[3-4]。

为保证FRP筋混凝土构件在正常使用状态下的裂缝满足要求，应对其裂缝宽度进行理论研究[5-6]。Elgabbas[7]等人对BFRP筋混凝土梁的正截面裂缝宽度进行了实验研究，结果表明FRP筋受弯构件弯矩-挠度关系受轴向刚度影响显著，建议增大配筋率以减小构件的变形和裂缝宽度。陆春华[8-9]等通过8根FRP筋与普通钢筋混合配筋混凝土梁的受弯性能实验，研究了其在受弯过程中的裂缝开展机理，推导出了混合配筋混凝土梁的正常使用阶段最大裂缝宽度建议计算公式，相关研究结果为混合配筋构件的设计及工程应用提供了一定依据。朱海堂[10]等人设计了12根BFRP筋钢纤维高强混凝土梁的正截面性能实验，研究了钢纤维体积率、BFRP筋配筋率、钢纤维高强混凝土厚度等因素对实验梁正截面裂缝分布与宽度的影响，结果表明：钢纤维的加入能够抑制BFRP筋高强混凝土梁的裂缝开展，并基于试结果提出了考虑钢纤维影响的BFRP筋混凝土梁裂缝宽度的建议计算方法。

由此可见，国内外多数集中在对FRP筋混凝土构件正截面裂缝的研究上，对FRP箍筋混凝土梁斜裂缝宽度的研究鲜有报道。然而，在实际工程中，一些薄腹构件由于承受较大的剪力，使结构出现较大的斜裂缝，影响结构的耐久性能[11-12]。因此，须对FRP箍筋混凝土构件在服役过程中的的斜裂缝变化规律展开系统研究。为此，本文以剪跨比和箍筋配筋率为主要参量，通过FRP箍筋混凝土梁的静力加载实验，分析了斜裂缝的开展规律及其宽度的影响因素并结合实验数据提出FRP箍筋混凝土梁的斜裂缝宽度的参考公式。

1 实验概况

1.1 试件设计

本文以箍筋类型（GFRP箍筋、普通钢箍筋）、剪跨比（1.5、2.0、3.0）、配箍率（0.42%、0.52%、0.67%）为实验变量，采用正交实验方法[13]设计并制作了5根GFRP箍筋及1根钢箍筋混凝土梁。所有试件的跨度、截面宽度、梁高、混凝土保护层厚度、截面有效高度分别为2 400 mm、150 mm、300 mm、30 mm、260 mm，实验时梁两端各留出150 mm长度以防止受力纵筋从端部拔出，实际计算跨度均为2 100 mm。梁的底部配置了2C25+2C22纵向受力钢筋，上部配置2A10架力筋，普通钢箍筋为A8@130，GFRP箍筋直径为8 mm，箍筋间距为100 mm、130 mm、160 mm三种类型。试件配筋及几何尺寸见图1。

图1 试件截面尺寸及配筋

本实验设计在参考相关研究[14-15]的基础上增加了箍筋类型这一变量，实验对比更加全面、直观。试件具体设计参数见表1，表中a为剪跨；λ为剪跨比；ρl为纵筋配筋率；ρsv为配箍率。为保证各试件的混凝土强度相同，所有试件均同期浇筑、同期加载。

表1 试件参数

1.2 材料性能

实验用混凝土为C40商品混凝土，实测抗拉强度及立方体抗压强度分别为2.95 MPa和44.67 MPa，弹性模量为32.8 GPa。梁的受拉钢筋和受压钢筋均采用HRB400级热轧带肋钢筋，普通钢箍筋采用HPB300级光圆钢筋。具体材料性能见表2。

表2 GFRP筋及钢筋力学性能指标

1.3 加载及测点布置方案

试件两端为简支，采用微机控制的电液伺服压力实验机通过分配梁施加竖向荷载[16]。正式加载前，首先预加载，以确保各加载仪器均能正常工作。正式加载时，分4～5级加载到计算开裂值的90%，再缓慢加载，荷载等级变为原来的0.5倍直至试件开裂以便准确观察裂缝的出现。混凝土开裂后，按每级加载值5 kN的加载速率加载至估算极限承载力的90%，再减少每级加载值（2 kN）,直至试件发生斜截面破坏。每级荷载持时不少于5 min，对持时过程中的数据进行采集，若数据连续三次相同即认为试件已达到稳定状态，此时应对梁体侧面的斜裂缝进行观察，并用裂缝测宽仪测量其最大宽度，然后记录在案。

测点布置情况如下：采用对称贴片方式，在加载点与支座连线与箍筋相交位置布置电阻应变片，在跨中位置与支座处设置位移计传感器。主要量测内容有：开裂荷载、GFRP箍筋应变、实验梁挠度和裂缝宽度等。

2 实验结果与分析

2.1 斜裂缝发展

本实验中，试件SB5由于其剪跨比较小，随着荷载的不断增大，剪跨段内的混凝土一直处于受压状态，当加载到极限荷载Pu时，加载点及支座处的混凝土出现压碎现象而发生了斜压破坏，斜裂缝发展多而细小，破坏比较突然，没有明显的破坏征兆。对于剪跨比λ=2.0的试件，加载初期，当荷载小于10%Pu时，各试件均处于弹性工作阶段，无裂缝产生。当荷载增大到10%Pu时，首先在梁纯弯段底部出现竖向受弯裂缝。当荷载增加至15%Pu时，梁的剪弯区段下表面开始出现数条垂直裂缝，随着荷载的继续增大，当荷载加载到（25%～30%）Pu时，垂直裂缝进一步斜向发展成为弯剪斜裂缝，试件腹部首次出现腹剪斜裂缝，初始宽度约为0.02 mm。当荷载增至（55%～65%）Pu时，跨中弯曲裂缝沿梁截面高度发展基本停止，斜裂缝最大宽度已达到0.2 mm，即混凝土构件正常使用所要求的宽度。荷载进一步增大至约80%Pu时，斜裂缝中的某条发展成为贯通支座和加载点的主斜裂缝。继续增大荷载至Pu，主斜裂缝发展为临界斜裂缝，使斜裂缝顶端靠近加载点处混凝土在剪应力和压应力的共同作用下达到剪压复合受力强度而发生破坏。试件SB6的破坏形态表现为斜拉破坏，其斜裂缝一旦出现便迅速向加载点和支座延伸，发展成为主要斜裂缝，宽度也迅速增长，试件承载力随之丧失，破坏比较急促，具有显著的脆性特征。

2.2 箍筋筋材类型对斜裂缝的影响

由于钢箍筋的弹性模量远大于GFRP箍筋且钢箍筋与混凝土之间的粘结也优于GFRP箍筋，因此，在剪跨比和箍筋间距均相同的情况下，与普通钢箍筋混凝土梁相比，GFRP箍筋混凝土梁的裂缝开展速率较快，宽度较大，不宜应用于对裂缝要求较高的构件中。

图2给出了不同箍筋筋材类型下试件的荷载—斜裂缝宽度曲线。可以看出：由于GFRP筋的低弹性模量，GFRP箍筋混凝土梁（SB2）的整体刚度要小于普通钢箍筋混凝土梁（SB1），SB2试件的开裂荷载要略小于SB1试件。首条斜裂缝出现后，随着荷载的增加，SB2试件的刚度逐渐减小，裂缝发展速率变大，裂缝宽度增长较快；相同荷载等级下，SB2试件的裂缝开展速率及裂缝宽度要大于SB1试件。

图2 不同筋材类型下梁的荷载-最大斜裂缝宽度曲线

2.3 剪跨比对斜裂缝的影响

图3为箍筋间距为130 mm时不同剪跨比的GFRP箍筋混凝土梁的斜裂缝宽度曲线。

图3 不同剪跨比下梁的荷载-最大斜裂缝宽度曲线

可以看出，同等配箍率的实验梁在同等级荷载下的斜裂缝最大宽度随剪跨比的增大而明显增大。加载初期，各试件的斜裂缝开展缓慢，其最大宽度与荷载处于线性增加趋势。随着荷载的持续增大，试件的剪跨比越大，裂缝增长相对较快，其裂缝宽度增加也较大。对于发生斜拉破坏的试件SB6，其斜裂缝一出现便随着荷载的增大而迅速变宽，其主斜裂缝在荷载增加不大的情况下便很快形成，梁即告破坏。剪跨比对GFRP箍筋混凝土梁的斜裂缝开展影响较大。

2.4 配箍率对斜裂缝的影响

图4为剪跨比λ=2时不同箍筋间距的GFRP箍筋混凝土梁的斜裂缝宽度曲线。可以看出，在同级荷载作用下，相同剪跨比试件的斜裂缝宽度随着配箍率的提高而呈现变小的趋势。不同配箍率试件的开裂荷载值基本没有区别，高配箍率对延迟斜裂缝的出现作用不大。但当斜裂缝出现以后，高配箍率试件的斜裂缝发展没有低配箍率的快，最大斜裂缝宽度也相对较小，由此表明高的配箍率增大了GFRP筋与混凝土之间的骨料咬合作用，有效的约束混凝土的变形，对斜裂缝的开展起到了很好的抑制作用。

图4 不同箍筋间距下梁的荷载-最大斜裂缝宽度曲线

3 斜裂缝宽度计算方法

上述实验发现，影响GFRP箍筋混凝土梁的斜裂缝宽度的开展因素与普通混凝土梁基本相同，基于文献[17]中建议的普通混凝土梁斜裂缝宽度的计算方法，并借鉴国内外与斜裂缝宽度相关的基本理论[18-24]，可得普通钢箍筋混凝土梁的斜裂缝最大宽度计算公式如下：

式中：V为剪力计算值，单位为kN；c为考虑荷载作用时间的影响系数，在静力荷载作用下取为1.0；λ为剪跨比；ftk为混凝土抗拉强度标准值，MPa；ρl为纵筋配筋率；ρsv为配箍率；b为截面宽度，单位为mm；h0为截面有效高度，单位为mm；σsv为箍筋应力，MPa；wmax为最大斜裂缝宽度，单位为mm。

对于SB1普通钢箍筋对比试件的斜裂缝最大宽度，采用（1）和（2）式进行计算，其实测值与计算值对比结果如图5。

图5 SB1试件最大斜裂缝宽度计算值与实验实测值比较

由图 5可知，采用（1）和（2）式计算得到的理论值与实测值吻合度较高，对于GFRP箍筋混凝土梁的斜裂缝宽度计算方法，可在本公式的基础上定义GFRP箍筋替代配筋率ρ′sv，将GFRP筋弹性模量Ef与普通钢筋弹性模量Es对斜裂缝发展的影响考虑进去，可得ρ′sv计算公式为：

用（3）式替代（2）式中的ρsv，再联立（1）式可得到GFRP箍筋混凝土梁最大斜裂缝w′max的计算公式为：

为验证计算式（4）的精度，对各试件不同荷载等级下的斜裂缝宽度进行计算，部分结果见表3。将表3中的计算值与实测值比值作为数据样本进行分析，其均值为1.12，标准差为0.24，变异系数为0.21。可见，由（4）式所得的计算值与实测值吻和较好，能够很好的预测GFRP箍筋混凝土梁斜裂缝宽度发展趋势，可基本满足计算要求。

表3 建议公式计算值与实测值对比

4 小结

通过5根配置GFRP箍筋混凝土梁和1根钢箍筋混凝土梁的斜裂缝宽度实验，得到结论：（1）GFRP箍筋混凝土梁的斜截面破坏形态与普通混凝土梁类似，根据剪跨比的不同有斜压、斜拉、剪压三种破坏形态，其斜裂缝发展规律与普通混凝土梁相似。（2）同级荷载下，GFRP箍筋混凝土梁的斜裂缝宽度较普通混凝土梁大；剪跨比和配箍率是影响梁最大斜裂缝宽度的两大重要因素，随着剪跨比的增大和配箍率的减小，梁中的最大斜裂缝宽度变大。（3）基于普通混凝土梁斜裂缝宽度计算方法，定义FRP箍筋替代配筋率，提出了适用于FRP箍筋混凝土梁斜裂缝宽度的计算公式，通过与实测数据的对比分析，计算值与实测值吻合度较高，能够基本满足计算要求。