BFRP筋混凝土梁弯曲性能研究进展

昌 魏 邓 皓

四川文理学院建筑工程学院 四川 达州 635000

1 引言

BFRP筋是通过连续玄武岩纤维和环氧树脂在线拉挤、缠绕、表面涂覆制备而成，其包含玄武岩纤维和环氧树脂两种成分。BFRP筋是21世纪的新型绿色环保材料，其具有强度高、质量轻、耐腐蚀、化学稳定性好，适用温度范围广等优点。BFRP在破裂前有显著的延伸率，以较大的裂缝和挠度，能防止BFRP发生脆性破坏。用BFRP筋增强的混凝土受弯构件能够取得更好的效果，能够更好满足承载能力极限状态和正常使用极限状态设计。2015年我国发布了《纤维复合材料行业“十三五”发展规划》，旨在扩大纤维增强复合材料的应用和发展。2016年，我国多部门联合出台了《关于加快新材料产业创新发展的指导意见》，提出加快创新发展玄武岩纤维等无机非金属功能材料。《中国制造2025》也提出加快发展玄武岩纤维等复合材料的研究与应用[1]。

我国中西部地区由于气温变化大、环境湿度大，部分地区需要考虑工业污染物的影响。因此，BFRP筋混凝土梁的研究和应用具有重大的意义。本文通过对BFRP筋混凝土梁弯曲性能的研究与应用的总结分析，对其是否能成为未来主要的新型建筑材料提出意见与展望。

2 普通BFRP筋混凝土梁的受弯试验

普通BFRP筋混凝土梁主要是常规混凝土强度的BFRP筋梁，其弯曲试验不同于钢筋混凝土梁的受弯试验，BFRP筋与混凝土的黏结作用使得其与钢筋混凝土梁的受弯性能有所差异。

对3个BFRP筋混凝土简支梁进行试验研究，通过研究其裂缝分布示意图、荷载-挠度曲线和弯矩曲率曲线，研究BFRP筋混凝土简支梁的破坏过程和破坏形态。并通过有限元软件模拟了BFRP筋简支梁的受弯性能，通过试验和有限元分析发现BFRP筋混凝土梁的破坏表现为延性破坏，裂缝分布沿梁均匀分布[2]。

研究发现玄武岩纤维增强筋/钢筋混合配筋混凝土梁的破坏形式均表现为钢筋屈服后混凝土压碎；随着配筋面积比的增加，其挠度逐渐增加，表明其挠度可以通过调整玄武岩纤维增强筋/钢筋混合配筋混凝土梁的配筋面积比来进行控制[3]。同时，研究表明同一纤维体积率情况下，受压区掺入钢纤维混凝土梁的极限承载力与全截面掺入钢纤维的混凝土的梁极限承载力相近。仅在受压区掺入钢纤维可有效提高BFRP筋与钢纤维的增强增韧作用，进而提高梁的抗弯性能[4]。

考虑将废弃的建筑材料经过处理并按比例替代天然集料，加入水泥和水而配成的再生混凝土结合BFRP筋的力学性能优势，通过12根玄武岩纤维筋再生混凝土简支梁的三点静力试验，研究了不同骨料取代率的再生混凝土对BFRP筋受弯构件的破坏形态、弯矩-曲率关系曲线、荷载-挠度关系曲线、裂缝开展情况等方面的性能影响。研究表明再生骨料取代率的提高，试件抗弯承载力基本不变，延性增加明显，裂缝数量增加也较为明显，且裂缝间距分布更加均匀。表明BFRP筋与再生混凝土的粘结更加均匀，符合工程对裂缝的要求[5]。结合抗拉强度高、耐久性好和自重轻的碳纤维布和轻质高强、耐腐蚀的玄武岩纤维筋混凝土的优势，并将变形能力好、抗拉性能与耐久性能优异的新型水泥基复合材料的优点，研究了碳纤维布加固玄武岩纤维筋工程用水泥基复合材料混凝土组合梁。研究表明粘贴碳纤维布加固能够有效提高BFRP筋混凝土梁的承载力能够，极限承载力随着碳纤维布粘贴层数增加而增加，但增加趋势逐渐变慢。碳纤维加固后能够有效提高组合梁的抗弯刚度，限制裂缝的延伸和发展。提出了综合考虑碳纤维布层数和构件黏结性能的强度折减系数[6]。

研究发现BFRP混凝土梁开裂弯矩低于ACI和CSA规范的理论计算公式，这一发现也同样出现在GFRP筋混凝土梁受弯情况。通过试验测得的平均粘结系数和加拿大告诉公里设计规范一致。随着配筋率的增加，BFRP筋混凝土梁刚度增加，相同荷载作用下应变更小。试件的轴向刚度显著影响BFRP筋混凝土梁的受弯性能。轴向刚度越大，试验梁的挠度、应变和裂缝宽度均更小[7]。而BFRP筋嵌入式加固法可显著提升钢筋混凝土梁的承载性能，其增强作用主要体现纵筋屈服后。粘结滑移问题在加固梁中普遍存在，BFRP筋-混凝土界面的相对滑移降低了加固梁的极限荷载。BFRP筋端部应力集中，易发生剥离破坏，加固梁的剥离承载力主要受BFRP筋的粘结长度及二次受力的影响[8]。研究结果表明在相近的配筋率情况下，FRP筋混凝土梁开裂后抗弯强度明显低于普通钢筋梁，裂缝宽度更大。正常使用极限状态下，FRP筋混凝土梁中的FRP筋的裂缝间纵筋受拉应变不均匀系数值大于普通钢筋[9]。

通过FRP筋与混凝土的粘结性能、粘结破坏机理研究。通过有限元分析了配筋率、混凝土强度、界面尺寸、纤维类型和荷载形式等因素对FRP筋混凝土梁受力性能的影响。根据变形协调关系推导了界限受压区高度、界限配筋率和FRP筋混凝土梁承载力计算公式[10]。结合11个FRP筋混凝土梁的受弯试验，进行开裂荷载、裂缝开展和挠度变化进行分析，提出FRP筋混凝土梁在受弯状态下的挠度和裂缝计算公式[11]。采用试验、有限元和理论分析方法对FRP筋混凝土梁受弯性能进行开裂弯矩、抗弯承载力、裂缝宽度、刚度、挠度的计算公式进行研究。通过理论推导结果与试验结果进行对比分析，探索FRP筋混凝土梁理论分析的一条新途径[12]。根据纤维增强塑料筋混凝土梁正截面抗裂度的试验结果，研究了钢筋混凝土梁正截面抗烈度计算方法相衔接的纤维增强塑料筋混凝土梁正截面抗裂度的计算方法[13]。通过BFRP筋的拉伸性能试验、抗弯性能试验、BFRP筋混凝土梁抗弯性能的试验和数值分析，进行12个简支梁的竖向荷载试验，4个破坏梁的补强加固试验。通过ADINA计算值与实测值进行比较分析，发现软件计算精度较高，为模拟纤维增强筋混凝土结构的受弯性能提供了新的方法和途径[14]。

综上所述，普通BFRP筋混凝土梁的受弯性能研究主要集中在矩形截面简支边界条件，相关两端固支、悬臂梁相关的研究较少，同时截面形式过于单一，难以反映实际工程中的受力情况。

3 高强混凝土BFRP筋梁的受弯试验

高强混凝土BFRP筋梁主要是混凝土强度在C50至C80之间，混凝土强度的BFRP筋梁， BFRP筋与普通混凝土的黏结作用使得其与普通BFRP筋混凝土梁的受弯性能有所差异。

通过试验研究全截面增强和部分增强的BFRP筋钢纤维复合增强高强混凝土梁受弯性能，通过分析钢纤维混凝土层厚度、钢纤维体积率和FRP配筋率等参数分析梁破坏模式、受弯承载力、荷载-挠度曲线、使用荷载、荷载-最大裂缝宽度曲线、平均裂缝宽度、裂缝宽度差异性的影响。发现BFRP筋钢纤维复合增强高强混凝土梁的破坏模式可分为FRP筋拉断破坏、混凝土压碎破坏和平衡破坏。钢纤维的加入可提高BFRP筋高强混凝土梁的使用荷载。钢纤维体积率、钢纤维混凝土层厚度和FRP筋配筋率的增大可有效抑制BFRP筋钢纤维复合增强高强混凝土梁裂缝的开展。在BFRP筋高强混凝土梁的全截面掺加钢纤维可提高梁的延性，而在部分截面掺加钢纤维会对梁的延性产生一定程度的负面影响[15]。通过6个高强混凝土纤维筋梁的受弯试验，研究纤维对承载力、裂缝形成和延性的影响，发现增加纤维能够提高梁的开裂荷载、极限强度和延性，同时减小纤维筋混凝土梁的最大裂缝宽度[16]。

由文献可知，高强混凝土BFRP筋混凝土的受弯性能研究仅得出一些定性的结论，难以满足工程应用的要求。

4 腐蚀条件下BFRP筋混凝土梁的受弯试验

腐蚀条件下BFRP筋混凝土梁，其受弯性能与普通混凝土的黏结作用使得其与普通BFRP筋混凝土梁的受弯性能有所差异。其耐久性问题值得进一步研究。

针对恶劣环境中的钢筋混凝土的耐久性问题，研究了FRP筋混凝土的耐腐蚀性能和高强度性能，通过5个CFRP筋混凝土简支梁和4个AFRP筋混凝土简支梁的受弯性能试验，研究了FRP筋配筋率对梁的破坏情况，提出FRP筋混凝土梁的极限承载力、最小配筋率、抗裂度和刚度的设计方法[17]。通过对氯化钠溶液侵蚀作用后的4种不同筋材的受拉性能和5组混凝土梁受弯性能进行了试验研究。研究了应力水平和侵蚀时间对钢-玄武岩纤维复合筋受拉性能及钢-玄武岩纤维复合筋混凝土梁受弯承载力、变形、裂缝和破坏形态的影响。结果表明钢-玄武岩纤维复合筋综合了钢筋良好的延性和BFRP筋的高强度，在内芯钢筋屈服后仍呈现出稳定的拉伸模量。钢-玄武岩纤维复合筋混凝土梁在钢筋屈服后具有明显的抗弯刚度。相同配筋率的未侵蚀试件，钢筋混凝土梁承载力最高，钢-玄武岩纤维复合筋混凝土梁承载力最低。弯矩-变形曲线预测值与实测值吻合良好；现行混凝土结构设计规范关于裂缝宽度的计算理论仍适用于钢-玄武岩纤维复合筋混凝土梁[18]。

分析文献研究可知，腐蚀条件下BFRP筋混凝土梁的受弯性能研究中，大多数试验研究都采用实验室加速腐蚀，不能真实反映实际工程中的受力情况。

5 结语

本文对普通BFRP筋混凝土梁的受弯性能、高强混凝土BFRP筋和腐蚀条件下BFRP筋混凝土梁的受弯试验研究进行了总结和归纳，主要得出以下结论：

（1）普通BFRP筋混凝土梁的受弯性能研究后续应对更多的荷载工况展开试验，更能保证研究成果的有效性和可靠性。

（2）高强混凝土BFRP筋混凝土的受弯性能研究仅得出一些定性的结论，需要进一步研究和提出其抗弯承载力、挠度计算公式和裂缝开裂计算公式，以保证工程中的应用。

（3）腐蚀条件下BFRP筋混凝土梁的受弯性能研究，以后应对真实服役环境下的试件展开试验，得出的结论更加可靠和适用。