FRP筋-鋼筋混合配筋梁受彎性能試驗研究

王 勃，牛 森

1吉林建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院,長春 130118 2吉林省結(jié)構(gòu)與抗震科技創(chuàng)新中心,長春 130118

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)自問世以來,由于鋼筋的銹蝕而影響結(jié)構(gòu)的耐久性,一直困擾著工程界.鋼筋被混凝土包裹會發(fā)生鈍化反應(yīng),在鋼筋表面形成的氧化膜會阻礙鋼筋的銹蝕,但隨著時間的流逝,空氣中的氧氣、水等與鋼筋上的氧化膜發(fā)生反應(yīng)而破壞氧化膜,氧化膜一旦被破壞,就會加速鋼筋的銹蝕,從而降低結(jié)構(gòu)的使用壽命.人們進行多種嘗試,如在鋼筋表面涂刷油漆、在混凝土中摻加防銹劑等,但這些措施都只是減緩了鋼筋的銹蝕問題,并沒有從根本上解決此難題.隨著由單向長纖維和樹脂過單向成型工藝制作而成的FRP筋的出現(xiàn),為解決鋼筋銹蝕問題提供了新的希望.FRP筋因為質(zhì)量輕,強度遠大于鋼筋,耐腐蝕性好且易于施工的良好特性而廣受工程界的關(guān)注[1-7].近年來,人們對FRP材料在工程中的研究和應(yīng)用越來越多,成為土木工程領(lǐng)域中新的研究熱點.為了解決鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)功能受損的問題,FRP筋成為最可能替代鋼筋的新型材料之一.將FRP筋作為受拉筋放置在混凝土中也不是完美無缺的,FRP筋有其自身的缺點,比如FRP筋的彈性模量低,在同樣的荷載作用下,FRP筋梁的撓度和裂縫寬度比鋼筋混凝土梁大.將部分鋼筋用FRP筋替換,一方面可以解決因鋼筋銹蝕而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)使用壽命降低的問題,另一方面可以解決純FRP筋梁破壞無明顯預(yù)兆問題.試驗研究表明,位于梁截面角區(qū)的鋼筋更容易發(fā)生銹蝕,此處的鋼筋更容易與空氣中的氧氣、水等接觸,將耐腐蝕性較好的FRP筋布置在梁下部角區(qū),而剛度比較大、延性較好的鋼筋布置在梁的底部中間位置或者第2層,充分利用兩者的優(yōu)點,不僅能夠有效解決鋼筋混凝土梁的耐久性問題,還能克服純FRP筋混凝土梁的缺點[8-10].

1 試驗方案

1.1 混合配筋率

由于FRP筋與鋼筋是由兩種不同的材料組成,兩種筋材的力學(xué)性能存在差別,考慮到兩者在混合配筋梁中共同工作,為了便于能夠協(xié)調(diào)統(tǒng)一計算,參照“等效替代”原則[11],將試件中的FRP筋分別按照強度和彈性模量等效為鋼筋,FRP筋-鋼筋混合配筋梁的強度等效配筋率ρ1和彈性模量等效配筋率ρ2定義如下：

(1)強度等效配筋率ρ1

(1)

(2)彈性模量等效配筋率ρ2

(2)

式中,ffd為FRP筋的設(shè)計抗拉強度,MPa;Ef為FRP筋的彈性模量,GPa;AS為鋼筋的配筋面積,mm2;Af為FRP筋的配筋面積,mm2;ES為鋼筋的彈性模量,GPa;b為截面寬度,mm;h0為截面有效高度,mm.

1.2 試件設(shè)計

共設(shè)計3根混合配筋梁H1～H3,試件H1～H3的構(gòu)造示意圖以及截面配筋詳圖如圖1,圖2所示；試件設(shè)計詳情見表1.

圖1 試件構(gòu)造示意圖

(a)試件H1剖面 (b)試件H2剖面 (c)試件H3剖面

表1 試件設(shè)計詳情

試件H1和H2的強度等效配筋率ρ1相同,均為1.2 %,彈性模量等效配筋率ρ2不同,分別為0.43 %和0.6 %.試件H2和H3的彈性模量等效配筋率ρ2相同,均為0.6 %,強度等效配筋率ρ1不同,分別為1.2 %和1.8 %.研究混合配筋梁的強度等效配筋率ρ1與彈性模量配筋率ρ2對FRP筋-鋼筋混合配筋梁的開裂荷載和極限承載力的影響.

1.3 試件制作

試件H1～H3的混凝土設(shè)計強度均為C30,混凝土的配合比詳見表2.混凝土所使用的水泥均由長春亞泰水泥有限公司提供,采用自來水,細骨料為河砂,粗骨料是花崗巖,粒徑為30 mm～50 mm,GFRP筋由深圳海川新材料科技有限公司提供,直徑分別為6 mm,8 mm,10 mm,12 mm,14 mm,所用鋼筋均為HRB400, GFRP筋和鋼筋力學(xué)性能詳見表3.

表2 混凝土配合比及其力學(xué)性能

表3 鋼筋及GFRP筋力學(xué)性能

因試件制作時間在11月中旬且拌制混凝土在室外進行,室外氣溫較低,故在拌制混凝土?xí)r加入了適量的早強劑和減水劑.試驗梁支模及澆筑工作均在吉林建筑大學(xué)試件養(yǎng)護庫進行,試件養(yǎng)護庫的溫度維持在20 ℃左右,試件在此環(huán)境中澆水養(yǎng)護5 d,然后拆除模板,再繼續(xù)澆水養(yǎng)護23 d.至試驗開始時,試件已制作完成35 d,符合混凝土施工規(guī)范的各項要求[12].

1.4 試驗方案及加載制度

試驗在梁側(cè)面跨中位置均勻布置了5個應(yīng)變片，用來測量該點處混凝土的應(yīng)變值，測點布置見圖1.試驗在加載的過程中使用位移控制的方法.試驗正式開始之前先預(yù)加載1 mm位移,在預(yù)加載過程中,對應(yīng)變采集儀、作動器等設(shè)備進行測試,確保所有設(shè)備能夠正常使用后,開始調(diào)整作動器,進行卸載,位移卸載到零以后,開始正式對試件進行加載.試件加載過程中使用分級加載方式,在試件未開裂階段,施加荷載速度為0.2 mm/min,每次加載的位移量為1 mm.當(dāng)試件開裂以后,施加荷載的速度改為0.1 mm/min,每次加載位移量依舊為1 mm.每次達到加載的位移量后持荷3 min～5 min,進行裂縫的觀測工作,如此反復(fù).當(dāng)試件梁頂部混凝土被壓碎或者底部受拉FRP筋斷裂并發(fā)出巨大聲響等現(xiàn)象時,終止加載.

2 試驗現(xiàn)象及試驗結(jié)果分析

2.1 試驗現(xiàn)象及破壞形態(tài)

試件H3～H3的破壞形態(tài)與鋼筋混凝土適筋梁的破壞形態(tài)類似,均表現(xiàn)為鋼筋先達到屈服,然后梁頂局部混凝土被壓碎.由于FRP筋的抗拉強度較大且彈性模量遠小于鋼筋,所以在整個試驗過程中,FRP筋始終未達到其抗拉強度設(shè)計值.試件H1～H3的典型破壞形態(tài)如圖3所示.

圖3 試件的破壞形態(tài)

試件H1加載至31.44 kN,在純彎段底部出現(xiàn)第1條裂縫,該裂縫自下而上發(fā)展4 cm,然后斜向發(fā)展,隨著試驗的進行,試件梁出現(xiàn)了更多的裂縫.加載過程中共出現(xiàn)12條裂縫,其中斜裂縫6條,大多分布在彎剪區(qū)段,該區(qū)段斜裂縫多集中出現(xiàn)在兩個加載點附近.當(dāng)加載至118.45 kN時，梁內(nèi)鋼筋達到屈服.繼續(xù)加載至221.03 kN,梁頂?shù)幕炷灵_始起皮,此后試驗梁的承載力開始緩慢下降,持續(xù)一段時間后,梁頂混凝土被壓碎拱起,此時結(jié)束加載,停止試驗.

試件H2的首條裂縫出現(xiàn)在純彎段梁底部,此時施加的荷載為32.01 kN,裂縫由下向上發(fā)展9 cm,然后沿斜向向梁頂加載點發(fā)展.整個加載過程中共出現(xiàn)14條裂縫,其中有9條為斜裂縫,大多分布在彎剪區(qū)段.在距左加載點8 cm梁底位置,有2條裂縫發(fā)展合為1條裂縫,該裂縫為試件H2的1條主要裂縫.當(dāng)加載至當(dāng)加載至190.36 kN時，梁內(nèi)鋼筋達到屈服.加載至269.53 kN,試件梁頂部混凝土開始出現(xiàn)局部破壞.繼續(xù)加載,試件梁的撓度持續(xù)增大,荷載逐漸降低,繼續(xù)加載至頂部混凝土被壓碎,停止試驗.

試件H3的第一條裂縫出現(xiàn)在純彎段梁底位置,此時荷載為33.86 kN,隨著荷載增大,這條裂縫先向上豎直向上開展5 cm,然后沿斜向向跨中梁頂方向開展.荷載加載至47.28 kN時,試驗梁左加載點左側(cè)11 cm梁底處出現(xiàn)首條斜向裂縫,在繼續(xù)加荷過程中該裂縫向加載點處斜向發(fā)展.當(dāng)加載至179.62 kN時，梁內(nèi)鋼筋達到屈服。荷載增加至275.36 kN,梁頂部的混凝土開始出現(xiàn)起皮的現(xiàn)象,梁的承載力開始緩慢下降,繼續(xù)加載一段時間,梁頂?shù)幕炷帘粔核楣捌?此時結(jié)束加載,停止試驗.

2.2 平截面假定的驗證

為了驗證FRP筋-鋼筋混合配筋梁符合平截面假定,在梁跨中側(cè)面布置了5個應(yīng)變片,每2個應(yīng)變片間的距離為75 mm,在梁的跨中和頂部分別均勻布置3個應(yīng)變片,用來記錄混凝土的拉(壓)應(yīng)變.應(yīng)變片所測量的數(shù)據(jù)使用應(yīng)變箱采集.對所得到的數(shù)據(jù)進行整理分析,得到FRP筋-鋼筋混合配筋梁截面應(yīng)變分布如圖4所示.

(a)試件H1 (b)試件H2 (c)試件H3

由圖4可知,試件H1～H3在不同荷載下,各測點應(yīng)變與該點到中性軸的距離近似成比例,說明混合配筋梁在受彎過程中符合平截面假定.

2.3 開裂荷載

在試驗準備階段,試件的側(cè)面及底面用白漆刷白并在側(cè)面劃分50 mm×50 mm的網(wǎng)格線,以便在試驗過程中觀察裂縫開展以及對裂縫進行定位.加載時借助手電筒及放大鏡觀察試驗梁下底面及側(cè)面,尤其要關(guān)注最可能出現(xiàn)首條裂縫的純彎段,試件H1,H2,H3的開裂荷載分別為31.44 kN,32.01 kN,33.86 kN,如圖5所示.由圖5可知,FRP筋-鋼筋混合配筋梁的強度等效配筋率ρ1和彈性模量等效配筋率ρ2對試驗梁的開裂荷載影響不明顯,開裂荷載的主要影響因素是混凝土的抗拉強度和FRP筋-鋼筋混合配筋梁的截面尺寸.

圖5 試件的開裂荷載

2.4 極限承載力

試件H1,H2,H3的極限荷載分別為221.03 kN, 269.53 kN, 275.36 kN,如圖6所示.

圖6 試件的極限承載力

試件H1和H2的強度等效配筋率ρ1相同,均為1.2 %,彈性模量等效配筋率ρ2由0.43 %提高至0.6 %,極限承載力由221.03 kN提高至269.53 kN,提高了12.2 %.

試件H2和H3的彈性模量等效配筋率ρ2相同,均為0.6%,強度等效配筋率ρ1由1.2%提高到1.8%,極限承載力分別為269.53 kN和275.36 kN,變化不大.這主要是因為彈性模量等效配筋率ρ2保持不變,雖然提高了強度等效配筋率ρ1,但降低了鋼筋的配筋面積,致使梁的剛度減小.

3 結(jié)論

通過對試件H1～H3梁的受彎性能試驗,得到以下結(jié)論：

(1)FRP-鋼筋混合配筋梁受彎符合平截面假定.

(2)FRP-鋼筋混合配筋梁的強度等效配筋率ρ1和彈性模量等效配筋率ρ2對試驗梁的開裂荷載影響不明顯,開裂荷載的主要影響因素是混凝土的抗拉強度和FRP筋-鋼筋混合配筋梁的截面尺寸.

(3)FRP-鋼筋混合配筋梁在強度等效配筋率ρ1相同的情況下,增大彈性模量等效配筋率ρ2,混合配筋梁的極限承載力明顯提高;在彈性模量等效配筋率ρ2相同的情況下,單純改變ρ1對混合配筋梁的極限承載力影響不大.