FRP混凝土梁的抗弯性能研究

金元林

(江苏省昆山市水利工程建设管理处，江苏 昆山 215300)

钢筋混凝土结构在正常使用的环境中会有着较好的耐久性，而一旦处在腐蚀性的环境下，特别是一些水环境，耐久性就会大打折扣，严重影响结构的正常使用和安全性能。造成这个缺陷的最主要原因就是钢筋容易发生锈蚀。对于处于正常使用条件下的钢筋混凝土结构，钢筋由碱性混凝土保护不易锈蚀，但如果长期暴露在侵蚀性环境中，水、空气和腐蚀性介质(海洋环境下的Cl-)会渗透到混凝土结构内部，造成钢筋出现锈蚀，而锈蚀的产物容易造成钢筋体积膨胀，混凝土开裂，进一步加速构件的损坏。为保证结构的正常使用，每年都需要耗费大量的人力物力定期对其进行保养和维修[1-2]。国内外钢筋混凝土结构遭受腐蚀的情况不胜枚举，美国近60万座桥梁中，钢筋受到严重腐蚀的将近10万座；英国建造的钢筋混凝土结构由于临近海洋或者处在含氯化物介质环境中，因钢筋锈蚀引发使用性和安全性问题的占1/3以上；调查显示，日本冲绳地区的177座桥梁和672座房屋(处于海洋环境中)，混凝土桥面板和梁的损坏率高达90.3%。在我国类似的情况也很多，公路方面有近5000座危桥，全长约13万多m；铁路方面，随着服役期的增长和铁路运量的加大，混凝土桥受侵害的有近3000座，并且这一数字还在不断增加；房屋建筑方面，到2000年我国至少有23.4亿m2的建筑物因结构安全度过低而退役[3]。

近几十年，纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Plastics,FRP)因具有强度高、重量轻、耐腐蚀性好、抗磁性能强等特点，被学者们广泛地开发和研究。其中，FRP筋是以纤维为增强体、树脂为基体经过挤拉工艺制成的复合筋材，更是被认为是一种可以替代钢筋的理想材料，特别是在一些潮湿易造成钢筋锈蚀的环境中[4-8]。随着研究的不断深入，FRP材料种类也日益繁多，主要有碳纤维FRP(CFRP)、玻璃纤维FRP(GFRP)、玄武岩纤维FRP(BFRP)以及芳纶纤维FRP(AFRP)等[9-10]。CFRP材料的弹性模量和强度非常高，但延伸率较低，且多用于航空、高铁等领域，材料的价格比较昂贵。AFRP材料蠕变率较大，容易引起结构产生较大的长期变形。GFRP材料在制备时产生附加的有害物质较多污染较大，并且材料本身耐碱性能差。而BFRP材料是将天然的玄武岩经过高温熔融，再通过专门的设备拉丝制成连续的纤维材料，整个生产过程较为绿色环保[11]。

很显然，不同的FRP在材性方面会有着明显的差异，因而FRP筋在增强混凝土结构时也会有着不同的特性表现。因此，本文选取四种不同的FRP筋(BFRP、GFRP、CFRP和AFRP)以及钢筋制成混凝土梁并进行对比试验，研究不同FRP筋增强混凝土结构的性能差异，本文着重关注承载力、挠度、裂缝等参数，试验结果可为以后的研究提供参考。

1 试件设计

1.1 试验材料

本文所用的BFRP、CFRP、GFRP和AFRP纤维筋(材料性能见表1)及FRP筋拉伸试验装置、方法参照美国规程ACI440[12]，钢筋的材性试验按照《金属拉伸试验方法》进行[13]。制作3个150mm×150mm×150mm混凝土立方体试块，并按照规范要求(GB 50010—2010)养护28天[14]，测得立方体平均抗压强度为32.3MPa。

表1 筋材的力学性能

1.2 试件设置

本试验共制备了5根混凝土梁，1根钢筋混凝土梁为对比梁(受力筋采用2根直径为12mm的钢筋)，其他4根为纯纤维混凝土梁。梁的总长度为2000mm，纯弯段为600mm，梁为矩形截面，尺寸220mm×300mm[见图1(a)]。其中，4根纯纤维混凝土梁的受力筋分别采用3根BFRP筋(ρ=1.75%)、2根GFRP筋(ρ=1.8%)、6根CFRP筋(ρ=0.5%)和3根AFRP筋(ρ=1.15%)。架立筋采用2根直径为10mm的钢筋，此外，为防止出现剪切破坏，在构件的非纯弯段设置箍筋加密区[见图1(b)]。各梁配筋率是按照与钢筋的等刚度原则进行设计的，并且已经考虑了筋材在实际配置时的偏差。

图1 试件设计

1.3 试验装置和程序

试件为简支梁，采用油压千斤顶及反力架施加荷载，并采用分配梁分配荷载。为保证分配梁两个作用点之间的截面(忽略构件自重)只受弯矩而无剪力，采用四点加载方式施加荷载。试验属于单调加载的静力试验，荷载是逐级施加的，每级荷载加载完停留5min，并记录此时的钢筋应变仪、位移计、压力传感器的读数，试验加载装置见图2。在梁跨中的一侧面设置四个Pi位移计，以便测量截面的应变。在试验前先将构件的侧面刷白并画上纵横间距为50mm的网格线，以便清晰得到裂缝的发展形态和裂缝宽度。用裂缝观测仪测量裂缝宽度并且记录各试验梁在各级荷载作用下的裂缝宽度，同时在构件上描绘出裂缝分布与发展情况。加载时，预先加载至5kN，确保加载装置与梁充分接触，再卸载至0，然后正式加载。钢筋混凝土梁采用的加载制度为：开始10kN一级加载至临近开裂，然后每级2kN加载至开裂，然后每级10kN加载至临近屈服，然后每级5kN加载至屈服，屈服后改为按位移加载，每级按屈服位移加载至构件破坏。而FRP筋混凝土梁的加载制度为：开始10kN一级加载至临近开裂，然后每级5kN加载至开裂，然后每级20kN加载至破坏。

图2 试验加载设备

2 试验结果分析

2.1 梁的破坏形态分析

本试验中的所有梁均采用等刚度原则设计(见图3)，加载时的行为方式很相似。但由于配筋率和筋材的材料特性不同，试件在破坏时还是会表现出不同程度的开裂和破坏形态，试验结果表明，主要有两种典型的破坏形态，即钢筋屈服后混凝土压溃进而钢筋拉断破坏(钢筋混凝土梁)和混凝土压溃破坏(FRP混凝土梁)。

图3 试件破坏形态

各梁的开裂荷载很相近，大约在15.8kN时会在跨中出现第一条裂缝。对于钢筋混凝土梁，当荷载达到35kN时，在纯弯段共出现6条裂缝且分布较为对称，裂缝间距大约为150mm，随着荷载继续增加到39.51kN时，梁达到屈服，梁的挠度增加加快，刚度明显变小，此级荷载后裂缝的宽度增加也较快。对于FRP混凝土梁，随着荷载增加，梁的挠度相应增加并且较为平稳，刚度保持不变(与钢筋混凝土梁在使用阶段表现的刚度一致)，直到梁上部混凝土发生压溃破坏。各梁的极限承载力见表2。

2.2 承载力分析

试件的荷载—挠度曲线见图4。钢筋混凝土梁的荷载—挠度曲线很准确地反映了钢筋混凝土梁在荷载作用下的挠度变化。主要表现为在钢筋屈服前，曲线基本为直线，在开裂前和开裂后曲线的斜率会存在略微的变化。在钢筋屈服后，随着钢筋的强化，梁的承载能力有略微的增长，之后承载力会趋于稳定。与钢筋混凝土梁的表现有所不同，FRP混凝土梁的荷载—位移曲线基本为直线，在梁的开裂前后曲线的斜率发生了些许变化，这是由于开裂后梁的刚度有所减小。混凝土开裂后，荷载—挠度曲线表现为线性增长(无屈服平台)，直至梁上部混凝土达到极限应变而压溃破坏，这与FRP筋是线弹性材料有关。

图4 荷载—挠度曲线

表2给出了梁的试验结果，所有的FRP混凝土梁都按照设计的理想破坏形态，发生了弯曲破坏。CFRP筋混凝土梁的配筋率最低为ρ=0.50%，但承载力最高，这与CFRP筋超高的抗拉承载力有关。BFRP筋和GFRP筋的弹性模量相对较低，但通过增加梁的配筋面积也可以达到较高的抗弯承载力。并且从图中可以看出，FRP筋混凝土梁的破坏都为脆性破坏，在破坏之前没有征兆。

表2 梁的试验结果

2.3 裂缝分布分析

从各梁主要的竖向裂缝分布情况(见图5)中可以看出，钢筋混凝土梁和FRP筋混凝土梁的裂缝形态存在明显的不同。钢筋混凝土梁的裂缝分布较均匀，在纯弯段共出现了6条裂缝，并且在裂缝上下部都有很明显的分叉现象。FRP筋混凝土梁承载能力较高，最后发生混凝土压溃破坏，与钢筋混凝土梁相比，裂缝的数量会较低，并且裂缝之间的间距也较大(最大的达到200mm)。梁L-3在纯弯段出现4条裂缝并且基本没有出现分叉，这说明它的黏结性能较差(筋材的直径过大，从图5也可以看出)。而梁L-4在纯弯段的裂缝较多，除了4条主裂缝外，还有不少细小的裂缝，这与筋材的直径有关(CFRP筋的直径为7.8mm)，因此可以看到直径越小，它与混凝土的黏结性能越好。同样的结论，也可以从梁L-2与梁L-5的对比中得到。

图5 90%极限承载力下的裂缝分布

从图6可以看出，开裂前期各梁裂缝宽度的变化相近，裂缝宽度基本呈线性变化。钢筋混凝土梁在钢筋屈服之后裂缝宽度增大很快，在荷载基本不变的情况下裂缝宽度还在快速增长，最后达到了7.8mm。FRP筋混凝土梁由于FRP筋没有屈服点，故它的裂缝宽度一直呈线性变化。

图6 荷载—裂缝宽度曲线

2.4 性价比分析

各梁造价(见表3)及材料单价参照市场价格：钢筋4000元/t，混凝土400元/m3，BFRP筋25000元/t，GFRP筋23000元/t，CFRP筋239000元/t，AFRP筋160000元/t。计算时忽略了筋材体积改变造成的混凝土质量减少。各试件架立筋和箍筋总价为62.92元，混凝土总价为52.8元。

表3 梁的价格

从各梁总价来看，梁L-1的价格最低，梁L-4的价格最高，对FRP筋混凝土梁而言，受力筋的价格占主要部分。在性价比方面，梁L-2和梁L-3的性价比相对较高，但相对于GFRP筋而言，BFRP筋在生产时更为绿色。梁L-5采用的芳纶纤维材料不仅价格较高，而且国内生产较少，主要运用在军事方面。总体来看，BFRP筋混凝土梁具有较好的选择性。

3 结 论

本文研究了不同FRP筋混凝土梁的抗弯性能及裂缝发展状况，通过制作并试验了5根梁得出以下结论：与钢筋混凝土梁的受力表现不同，FRP筋混凝土梁在承载时无屈服点，这主要是由材料的特性决定的，并且在破坏时多为脆性破坏，破坏前不会出现明显的征兆；在配置筋材时，不同直径的筋材对裂缝的发展会产生较大的影响，筋材直径越大，与混凝土黏结性能越差，导致最终的裂缝宽度会越大；与钢筋混凝土梁相比，FRP筋混凝土梁具有较高的承载能力，但造价会相对较高，其中CFRP筋混凝土梁的造价最高。不同FRP筋混凝土梁相比，BFRP筋混凝土梁的性价比最好，在水利工程耐腐蚀结构中具有较好的应用前景。