SFCB和BFRP混杂配筋梁的受弯性能

杨 洋,张冠军,夏留佳,邢 翔

(扬州大学建筑科学与工程学院,江苏 扬州 225127)

锈蚀问题一直是影响传统钢筋混凝土结构耐久性的主要原因[1],改善方法主要有提高混凝土性能、增加混凝土保护层厚度或将钢筋替换为耐腐蚀性筋材,如纤维增强复合材料(fiber reinforced polymer,FRP)[2]．FRP具有质量轻、强度高、耐腐蚀性好等特点,但与传统钢筋混凝土相比,FRP增强混凝土的刚度较低、形变较大,且表现出无延性的线弹性行为特点[3]．钢筋和FRP筋混杂配筋混凝土梁(以下简称混杂配筋梁)的提出有效提高了混凝土结构的刚度和耐久性[4-6]．Qin等[7]指出FRP与钢截面面积比Af/As对混杂配筋梁结构抗弯性能有重要影响,主要原因在于该参数可以起到平衡结构强度和延性的作用．受FRP的线弹性行为影响,混杂配筋梁的变形特性不同于普通钢筋混凝土梁或纯FRP筋混凝土梁．为了保证混凝土结构的延性,Pang等[8]试验得出适用于混杂配筋梁的等效配筋率限值．

钢筋和FRP筋混杂配筋梁采用单层布筋时往往导致受力筋间距过小,筋材与混凝土间的粘结强度下降,进而影响结构的极限承载力;双层布筋时由于中和轴高度的增加,结构的屈服强度有所降低,裂缝宽度也会增加,影响混凝土梁的耐久性[9]．本文利用SFCB良好的耐久性、稳定的弹塑性及较高的弹性模量,结合强度高、成本低的BFRP筋[10-11],弥补传统混杂配筋梁的缺陷．本文拟考察等效配筋率ρe、Af/As等参数对SFCB、钢筋和BFRP筋混杂配筋、SFCB和BFRP筋混杂配筋的混凝土梁的受弯性能的影响,并对试验梁的破坏形态、承载力、挠度、裂缝发展以及耗能能力等方面的变化特性进行详细分析．

1 试验概况

1.1 试件参数

试验所用的复合筋材包括:1)BFRP筋．由质量比为7∶3的连续高性能纤维和树脂基体材料采用拉挤成型工艺复合而成,本文采用的B49型BFRP筋是由49束2400-tex玄武岩连续纤维制成．2)SFCB筋．编号为S10B49的筋材是由内芯10 mm的钢筋,与49束的2400-tex玄武岩纤维缠绕而成．

试验共制备5根如图1所示的矩形混凝土梁,梁的荷载跨度均为2 000 mm,截面宽度220 mm,高300 mm,架立筋和箍筋分别采用直径为8 mm和10 mm的钢筋,箍筋间距100 mm,净保护层厚度为30 mm．其中对比梁B1采用12 mm钢筋增强;B2梁及B5梁采用BFRP和SFCB混杂配筋;B3梁采用SFCB增强;传统混杂配筋梁B4采用10 mm钢筋和BFRP筋增强．以上筋材的力学性能如表1所示．其中,d′,d,A分别表示筋材的标称直径、实测直径和实测面积;EI,EII分别为屈服前后的弹性模量;fy,fu分别为钢筋的屈服强度和极限抗拉强度．通过测试3个边长为150 mm的混凝土立方块,得到本试验所用混凝土平均立方体抗压强度fcu为43.3 MPa．

图1 混凝土梁的横截面示意图(mm)Fig.1 Cross section of concrete beams

表1 筋材的力学性能Tab.1 Mechanical properties of the reinforcements

1.2 测试设置及方法

本试验在净跨度为2 000 mm的试验梁上采用四点加载形式进行测量,试验仪器及设置如图2所示．试验前,在加载点中心放置2块尺寸为200 mm×60 mm×25 mm的钢垫块,通过垫块传递竖向荷载．试验前对试件施加5 kN荷载,确保构件稳定、接触良好之后卸载至0 kN,再开始测量．在支座和跨中处分别布置百分表以记录竖向位移;在试件纯弯区段设置4个PI型位移计测量横截面应变;在梁侧面绘制间距为40 mm的网格线,以便观察裂缝的发展形态,并在跨中处设置电子裂缝观测仪测量裂缝宽度．试验装置由承载力为1 000 kN的液压伺服控制系统控制,通过力传感器采集荷载值,在每个加载步骤记录挠度、裂缝宽度以及荷载值,直至梁破坏．

图2 试验仪器及设置(mm)Fig.2 Test instrument and setup

2 结果与分析

2.1 破坏形态

图3为以B1和B3梁为代表的混凝土梁破坏形态．各试验梁破坏形态均为钢筋屈服后受压区混凝土压溃,但在裂缝形态及跨中挠度等方面有所差异,普通钢筋混凝土梁的跨中挠度过大,裂缝数量少,但跨中裂缝较宽,如图3(a)所示．混杂配筋梁的跨中挠度以及裂缝宽度均小于普通混凝土梁,如图3(b)所示．

图3 混凝土梁破坏形态Fig.3 Failure modes of specimens

2.2 承载力

试验参数包括BFRP与钢截面面积比Af/As、等效配筋率ρe=(Af+As)/bd．其中Af和As分别表示BFRP筋和纵向受拉钢筋的截面积;b为混凝土梁截面宽度;d为混凝土梁截面受压区的外边缘至受力筋合力质心的距离,即截面的有效高度．试验梁受弯性能的测试结果见表2,其中Δu为极限挠度,Pu为极限承载力．如表2所示,对于混杂配筋梁B2～B5,参数Af/As对构件的极限承载力的影响规律不明显,但随着ρe的增加,其极限承载力相应增大,故ρe可视为构件抗弯承载力的关键参数．

表2 混凝土梁的试验值Tab.2 Tested values of concrete beams

2.3 荷载-挠度曲线

图4为梁的实测荷载-挠度曲线．曲线大致分为3个阶段:开裂前的弹性阶段,开裂后的使用阶段以及钢筋屈服后阶段．图4显示,所有梁的曲线在弹性阶段均相似．使用阶段的曲线斜率比弹性阶段降低,表明开裂后梁的刚度有所降低,但由于ρe以及Af/As不同,不同梁的刚度降低程度也有所不同．在混杂配筋梁中,ρe值最低的B2和B3梁刚度降低幅度最为明显．混杂配筋梁在钢筋屈服后阶段的刚度相比使用阶段的刚度未发生明显下降,主要原因在于钢筋屈服后,强度较高的BFRP筋可以继续提供二次刚度,且Af/As值越高,刚度降低幅度越小．而对于传统钢筋混凝土梁B1,钢筋屈服后,构件有明显的屈服平台．图4还表明,随着ρe值的增大,混杂配筋梁的荷载-挠度曲线的斜率增大,相同荷载下构件的变形逐渐减小,相同挠度值对应的荷载值逐渐增大,故ρe可视为与结构抗弯承载力和延性相关的参数．

图4 荷载-挠度曲线Fig.4 Load-deflection curves

2.4 荷载-裂缝曲线

图5为不同构件的荷载-裂缝宽度曲线图．由图5可见,相同荷载下各混杂配筋梁的裂缝宽度存在明显差异．B1梁和B4梁的曲线在钢筋屈服后出现明显拐点,此时构件裂缝迅速增大．B2、B3和B5梁的荷载-裂缝宽度曲线几乎呈线性,但B2梁和B3梁的ρe较低,故其刚度较小,裂缝宽度较大,因此ρe参数对混杂配筋梁裂缝宽度的发展具有重要影响．与B2梁相比,B3梁的配筋中钢筋含量较高,因此B3梁在使用阶段表现出更好地限制裂缝发展的趋势,但由于BFRP含量不变,B3梁在钢筋屈服后阶段的裂缝宽度增长速率与B2梁相当．从图5中还可看出,与传统钢筋混凝土梁B1相比,混杂配筋梁的裂缝宽度得到有效限制,这是因为BFRP提供的二次刚度可以有效限制受力筋应变的发展．

图5 荷载-裂缝宽度曲线Fig.5 Load-crack width curves

2.5 耗能-挠度曲线

为考虑屈服后刚度对试验梁抗弯强度的影响,将构件耗能能力E作为另一个衡量配筋混凝土梁受弯性能的参考指标,E为荷载-挠度曲线下与坐标轴围成的面积[12]．图6为构件耗能能力与跨中挠度曲线．混杂配筋梁在极限荷载点的耗能E明显低于普通钢筋混凝土梁B1．在混杂配筋梁中,B5梁吸收的总能量最高,约为B1梁的77.41%,主要原因在于,配筋混凝土梁屈服后,其耗能能力与屈服后刚度的大小有关,屈服后刚度越高,耗能能力越好．新型混杂配筋梁B5具有更高的屈服后二次刚度,因此虽然其能量延性不如普通钢筋混凝土梁,但在发生受弯破坏前仍然具有较高的耗能能力．

图6 耗能能力-挠度曲线Fig.6 Energy dissipation-deflection curves

3 结论

本文对不同类型混杂配筋的混凝土梁进行了加载试验,并对其承载力、挠度、裂缝发展以及耗能能力等进行了详细研究,结果表明:BFRP和SFCB混杂配筋梁理想的破坏形态为钢筋屈服后混凝土压溃,该破坏形态可以保证结构承载力和延性的同时,进一步提高结构的耐久性;等效配筋率ρe和As/Af对BFRP和SFCB混杂配筋梁的性能具有控制作用,ρe值越大,结构的刚度越大,裂缝宽度越小,对应的耗能也相应增加,而As/Af对屈服之后的刚度有明显的影响．