钢筋和FRP筋混合配筋ECC-混凝土复合梁受弯性能试验研究*

姜 景, 张素康, 王 仪, 葛文杰,, 严卫华, 孙传智, 曹大富

(1 江苏建研建设工程质量安全鉴定有限公司，南京 210008；2 江苏省苏科建设技术发展有限公司，南京 210008；3 扬州大学建筑科学与工程学院，扬州 225127；4 江苏省装配式建筑与智能建造工程研究中心，宿迁 223800)

0 引言

混凝土结构耐久性能一直是工程结构领域的重要研究课题之一[1]。钢筋混凝土结构中常因钢筋锈蚀导致许多桥梁、建筑物提前破坏,造成巨大的经济损失[2]。

新型纤维增强复合材料筋(fibre-reinforced polymer tendon,简称FRP筋)具有良好的抗腐蚀性能及材料力学性能。钢筋混凝土的锈蚀问题促进了对FRP筋及FRP筋混凝土结构的研究,近年来,FRP筋及其应用的研究在国际上非常活跃,国内外对于FRP筋的材料受拉性能及FRP筋混凝土结构的研究开展的很多,并制定了相应的一系列技术规程[3-4],且在多个实际工程中得到了应用。

我国对FRP筋用于混凝土结构的研究开展较晚,但发展十分迅速[5-11]。吕志涛等[12]对FRP筋的短期长期力学性能、FRP筋混凝土结构、FRP筋预应力混凝土结构、FRP拉索斜拉桥的设计和建造及FRP筋锚固体系、FRP筋应变检测方法等方面开展了系统的研究工作,设计并建成了中国第一座高性能CFRP索斜拉桥。

但是,FRP筋为线弹性材料,不存在类似于钢筋的屈服平台,所以FRP筋混凝土梁的弯曲破坏表现为脆性破坏,延性较差。相关设计规范和设计指南一般都建议将FRP筋梁设计成超筋梁,利用受压区混凝土的塑性变形来获得构件的延性。更重要的是,除CFRP筋具有较高的弹性模量外,其他种类的FRP筋弹性模量均较低,与配置相同受拉纵筋面积的钢筋混凝土梁相比,FRP筋梁表现出更大的挠度和更宽的裂缝宽度,故构件在正常使用极限状态下的性能要求常成为设计控制因素,FRP筋的强度不能充分发挥,限制了FRP筋混凝土结构的推广应用。

工程用水泥基复合材料(engineered cementitious composite,简称ECC)克服了传统水泥基材料在抗拉荷载下的软化性能,表现出与金属材料类似的伪硬化特征,可实现传统水泥基材料单一裂纹宏观开裂发展模式向多重微细裂纹稳态开裂模式的转变,具有显著的非线性变形、优良的韧性和能量吸收能力[13]。Maalej和Li[14]提出使用超高韧性ECC代替围绕纵向受拉钢筋的部分混凝土,并进行了一根ECC增强RC复合梁的试验研究。研究表明,与普通RC梁相比,ECC增强RC复合梁在承载能力和变形能力方面有一定的提高,但幅度较小;但在使用状态即钢筋屈服前,裂缝宽度小于0.05mm,为普通RC梁的1/5。冯乃谦等[15]认为当裂缝宽度小于0.05mm时对防水、防腐蚀与承重的影响均可忽略不计。因此,使用ECC可显著提高混凝土梁的耐久性。

将受拉FRP筋周围的普通混凝土用ECC代替形成ECC-FRP筋混凝土复合梁,使受拉区形成多而密的细裂缝模式,可减少正常使用情况下的裂缝宽度,提高受拉纵筋的应力水平,使FRP筋高强度的优点得以充分发挥,减小纵向受拉筋用量,节约资源。且ECC-FRP筋混凝土复合梁受拉区形成的多而密的细裂缝模式,可延缓侵蚀性汽体、液体对纵向受拉纵筋的腐蚀,提高结构的耐久性。

利用钢筋和FRP筋混合配筋,以及具有优良受拉性能的ECC替代部分混凝土,形成FRP/钢筋混合配筋ECC-混凝土复合梁,可改善结构抵抗裂缝和变形的性能。本文研究了配筋类型及配筋率、ECC替代高度对复合梁承载能力、变形、裂缝和破坏形态的影响。

1 试验方案

1.1 试验材料

采用C35商品混凝土、Ⅰ级粉煤灰无定形超细硅质粉体材料SiO2、100～200目特细石英砂;水泥、粉煤灰、硅灰质量比为0.7∶0.1∶0.2,砂胶比0.36,水胶比0.4;减水剂用量0.19;砂胶比、水胶比、减水剂用量为与胶凝材料(水泥、粉煤灰、硅灰三者之和)的质量比。纤维为日本可乐丽公司生产的RECS15*12型PVA纤维,长度为12mm,直径为40μm,抗拉强度为1 560MPa,弹性模量为41GPa,材料密度为1.3g/cm3,伸长率为6.5%;采用聚羧酸减水剂,当地自来水拌合。

ECC受拉性能测试及应力-应变曲线如图1所示。开裂拉应力fetc=2.0N·mm-2,极限拉应力ftu=2.4N·mm-2,弹性模量Ee=8.2×103N·mm-2,初裂拉应变εetc=0.23×10-3,极限拉应变εetu=0.025。

图1 ECC受拉性能

ECC受压性能测试及应力-应变曲线如图2所示,峰值应力fecp=31.4N/mm2,峰值应变εecp=0.003 6,极限应变εecu可取1.5εecp=0.005 4。

图2 ECC受压性能

混凝土采用C40商品混凝土,实测混凝土立方体抗压强度为47.0MPa,混凝土保护层厚度为20mm,采用预制砂浆垫块控制。受力主筋采用直径12mm的HRB400螺纹钢筋和直径8mm的玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)筋,架立钢筋为直径10mm的HRB400螺纹钢筋,箍筋为8mm的HRB400螺纹钢筋。筋材受拉性能测试及应力-应变曲线见图3,力学性能见表1。

表1 筋材受拉力学性能

图3 筋材受拉性能测试

1.2 试件设计

试件设计尺寸宽×高×长(b×h×l)为150×200×1 500,制作了4组不同配筋构件,每组有4根不同ECC替代高度分构件,共16根,构件设计参数见表2。各组试件编号1、2、3和4分别表示该构件替代高度率rh分别为0、0.28、0.56和1.12。构件配筋示意图见图4(以编号为HG的构件为示例),其中lm、lmv和lf分别表示构件纯弯段、弯剪段和外挑段长度,分别为400、500、50mm;he为ECC替换高度;as为受拉筋材截面中心至截面受拉边缘距离。

表2 构件设计参数

图4 构件配筋与加载测试示意图

1.3 加载测试方案

试验采用两点对称加载,如图4所示。使用油压千斤顶加载,荷载传感器监测荷载数值,TDS-530数据采集仪采集。构件先进行预加载,检验各仪器是否正常,之后卸载,开始正式加载。在构件支座处上方、加载点和跨中下方布置百分表以监测支座沉降和构件在荷载作用下的变形。在跨中截面沿高度方向布置5组千分表,测量试件跨中截面在各级荷载作用下的变形,计算得到其应变分布。人工寻找裂缝,用裂缝读数仪KON-FK(B)观测裂缝宽度,并用黑色记号笔描绘裂缝发展趋势。

2 试验现象与分析

2.1 混凝土平均应变沿高度分布

试件跨中截面混凝土应变沿高度分布情况如图5所示(以HG组为例),hd表示测点距截面底边的垂直高度。

图5 跨中截面混凝土应变沿试件高度分布

从图5中可以看出,跨中截面混凝土应变沿试件高度分布近似成直线分布,符合平截面假定;随着荷载的增加,中和轴逐渐上移,受压区高度逐渐减小;ECC-混凝土复合梁和ECC梁截面受压区高度较混凝土梁大,且试件HG3受压区高度大于HG2的,说明用受拉性能好的ECC替代混凝土,可以延缓裂缝向上延伸。因ECC材料的抗压强度和弹性模量低于混凝土,导致试件HG4的受压区高度小于试件HG3。

2.2 荷载-挠度曲线

各试件实测的跨中荷载-挠度曲线如图6所示,荷载与变形特征值见表3,其中M为荷载;d为挠度;Mcr、My和Mu分别为试件开裂、屈服和极限弯矩;Mq1为各组试件中混凝土试件的弯矩效应准永久值,此处取极限弯矩的64%[16-17];dq1为Mq1作用下的挠度;ωq1为Mq1作用下的裂缝宽度;dlim为正常使用状态下的挠度限值(考虑荷载效应长期作用影响,此处应为4.5mm)[18-19];Mdlim为dlim对应的弯矩;ηd为挠度限值确定的承载力利用系数,即由正常使用极限状态挠度限值控制的弯矩与试件极限弯矩的比值,ηd=Mdlim/Mu;ωlim为正常使用状态裂缝宽度限值(考虑荷载效应长期作用影响后,对于钢筋组试件和混合配筋组试件为0.20mm,对于FRP筋组试件为0.30mm)[19-20];Mωlim为ωlim对应的弯矩;ηω为裂缝宽度限值确定的承载力利用系数,即由正常使用极限状态裂缝宽度限值控制的弯矩与试件极限弯矩的比值,ηω=Mωlim/Mu。

表3 构件荷载与变形、裂缝宽度对比

图6 试件跨中荷载-挠度曲线

从图6和表3中可以看出,钢筋组试件(HB)和混合配筋组试件(HE和HG)的荷载-挠度曲线分为明显的三折线,从开始加载到试件开裂,从开裂到钢筋屈服,从钢筋屈服到试件破坏,但钢筋组试件钢筋屈服后变形迅速增大,而混合配筋组试件在钢筋屈服后挠度随荷载的增加而增大;FRP筋组试件(HK)的荷载-挠度曲线为二折线,从开始加载到试件开裂,从开裂至试件破坏。ECC-混凝土复合梁和ECC梁的开裂、屈服和极限弯矩均大于混凝土梁,开裂、屈服和极限弯矩分别提高了2.6%～31.5%、1.3%～51.6%和1.3%～27.5%,说明受拉性能良好的ECC可有效提高构件的承载能力。

钢筋组(HB)试件和混合配筋组(HG)试件在正常使用状态下的挠度值小于规范限值,FRP筋组(HK)试件和混合配筋组(HE)试件在正常使用状态下的挠度值大于规范限值;ECC-混凝土复合梁和ECC梁的变形均小于混凝土梁,但因为ECC抗压强度与弹性模量低于混凝土,导致ECC梁的变形大于ECC-混凝土复合梁。说明ECC材料可提高梁在弯曲荷载作用下抵抗变形的能力。钢筋组(HB)试件挠度限值确定的承载力利用系数最大,FRP筋组(HK)最小,混合配筋组(HE和HG)介于两者之间,且HG组高于HE组。因此,混合配筋亦可提高受弯构件抵抗变形的能力,且抵抗能力随着配筋截面含钢率的提高而增大。

2.3 破坏形态

部分试件破坏形态如图7所示。从图7可以看出,钢筋组(HB)和混合配筋组(HG)试件均发生明显的弯曲破坏。构件破坏时,混凝土梁和ECC-混凝土梁受压区混凝土压碎现象较明显,部分试件(HG1、HG2和HG3)发生混凝土崩裂,而ECC梁(HB4、HG4和HK4)因基体中的纤维具有良好的桥接作用,受压ECC仅发生基体压碎,未发生崩裂。FRP筋组(HK)试件在弯剪段产生由支座指向加载点的主裂缝而破坏,在设计时应重视,予以避免。

图7 试件破坏形态

从破坏后的试件形态可以看出,FRP筋组(HK)试件残余变形最大,混合配筋组(HG)试件次之,钢筋组(HB)试件最小;ECC梁(HB4、HG4和HK4)截面形成的裂缝多而密,混凝土-ECC复合梁截面裂缝次之,混凝土梁(HB1、HG1和HK1)截面裂缝少而稀疏。

综上所述,在混凝土梁截面受拉区引入受拉性能优异的ECC和采用钢筋和FRP筋混合配筋,可有效改善受弯构件抵抗裂缝和变形的能力。

2.4 裂缝宽度及平均间距

实测的各试件跨中荷载-最大裂缝宽度曲线如图8所示,其中ω为裂缝宽度。

图8 试件跨中荷载-最大裂缝宽度曲线

从图8和表3中可看出,钢筋组(HB)试件在正常使用状态下的裂缝宽度小于规范限值;混合配筋组混凝土试件(HE1和HG1)大于规范限值,但随着ECC替代高度率的增大,裂缝宽度逐渐减小,HE组和HG组复合梁和ECC梁除HE2试件不满足要求外,其他试件均满足规范限值;FRP筋组试件在正常使用状态下的裂缝宽度均大于规范限值,但复合梁和ECC梁裂缝宽度仅为混凝土梁的40%。由裂缝宽度限值确定的承载力利用系数分布规律与由挠度限值确定的承载力利用系数分布规律相同。因此,在受拉区用ECC替代混凝土或采用混合配筋均可提高受弯构件抵抗裂缝发展的能力,且抵抗能力随着ECC替代高度和配筋截面含钢率的增大而提高。

实测的试件裂缝条数ncr与平均裂缝间距lcr见图9,其中ECC-混凝土复合梁和ECC梁的裂缝未计入细密裂缝。从图9可看出,FRP筋试件的裂缝条数最少、平均裂缝间距最大;混合配筋组介于两者之间,且HG组裂缝条数多于HE组;随着ECC替代高度率的增大,裂缝条数逐渐增加,裂缝平均间距逐渐减小;钢筋组试件的裂缝条数最多、平均裂缝间距最小。

图9 试件裂缝数量及平均间距

3 结论

对FRP筋和钢筋混合配筋ECC-混凝土复合梁受弯性能进行了试验研究,得到如下结论:

(1)FRP筋和钢筋混合配筋ECC-混凝土复合梁跨中截面混凝土应变分布亦符合平截面假定,ECC与混凝土具有良好的粘结性能;用受拉性能好的ECC替代混凝土,可以延缓裂缝向上延伸,延缓截面受压区高度的减小。

(2)钢筋组试件和混合配筋组试件(HE和HG)的荷载-挠度曲线分为明显的三折线,加载到试件开裂、钢筋屈服和试件破坏,但钢筋组试件钢筋屈服后变形迅速增大,混合配筋组试件在钢筋屈服后变形随荷载的增加而增大;FRP筋组试件荷载-挠度曲线为二折线,从开始加载到试件开裂,至试件破坏。受拉性能良好的ECC可有效提高构件的承载能力。

(3)ECC材料和混合配筋可提高梁在弯曲荷载作用下抵抗变形和裂缝发展的能力,且抵抗能力随着ECC高度替代率和配筋截面含钢率的提高而增大。

(4)ECC基体中的纤维具有良好的桥接作用,ECC梁发生弯曲破坏时,仅发生基体压碎破坏,未发生崩裂。混凝土梁和ECC-混凝土梁发生破坏时,混凝土压碎现象较明显,部分试件混凝土崩裂。