楊 洋,張冠軍,夏留佳,邢 翔

(揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 揚(yáng)州 225127)

銹蝕問(wèn)題一直是影響傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的主要原因[1],改善方法主要有提高混凝土性能、增加混凝土保護(hù)層厚度或?qū)摻钐鎿Q為耐腐蝕性筋材,如纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(fiber reinforced polymer,FRP)[2]．FRP具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕性好等特點(diǎn),但與傳統(tǒng)鋼筋混凝土相比,FRP增強(qiáng)混凝土的剛度較低、形變較大,且表現(xiàn)出無(wú)延性的線彈性行為特點(diǎn)[3]．鋼筋和FRP筋混雜配筋混凝土梁(以下簡(jiǎn)稱(chēng)混雜配筋梁)的提出有效提高了混凝土結(jié)構(gòu)的剛度和耐久性[4-6]．Qin等[7]指出FRP與鋼截面面積比Af/As對(duì)混雜配筋梁結(jié)構(gòu)抗彎性能有重要影響,主要原因在于該參數(shù)可以起到平衡結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和延性的作用．受FRP的線彈性行為影響,混雜配筋梁的變形特性不同于普通鋼筋混凝土梁或純FRP筋混凝土梁．為了保證混凝土結(jié)構(gòu)的延性,Pang等[8]試驗(yàn)得出適用于混雜配筋梁的等效配筋率限值．

鋼筋和FRP筋混雜配筋梁采用單層布筋時(shí)往往導(dǎo)致受力筋間距過(guò)小,筋材與混凝土間的粘結(jié)強(qiáng)度下降,進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)的極限承載力;雙層布筋時(shí)由于中和軸高度的增加,結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度有所降低,裂縫寬度也會(huì)增加,影響混凝土梁的耐久性[9]．本文利用SFCB良好的耐久性、穩(wěn)定的彈塑性及較高的彈性模量,結(jié)合強(qiáng)度高、成本低的BFRP筋[10-11],彌補(bǔ)傳統(tǒng)混雜配筋梁的缺陷．本文擬考察等效配筋率ρe、Af/As等參數(shù)對(duì)SFCB、鋼筋和BFRP筋混雜配筋、SFCB和BFRP筋混雜配筋的混凝土梁的受彎性能的影響,并對(duì)試驗(yàn)梁的破壞形態(tài)、承載力、撓度、裂縫發(fā)展以及耗能能力等方面的變化特性進(jìn)行詳細(xì)分析．

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件參數(shù)

試驗(yàn)所用的復(fù)合筋材包括:1)BFRP筋．由質(zhì)量比為7∶3的連續(xù)高性能纖維和樹(shù)脂基體材料采用拉擠成型工藝復(fù)合而成,本文采用的B49型BFRP筋是由49束2400-tex玄武巖連續(xù)纖維制成．2)SFCB筋．編號(hào)為S10B49的筋材是由內(nèi)芯10 mm的鋼筋,與49束的2400-tex玄武巖纖維纏繞而成．

試驗(yàn)共制備5根如圖1所示的矩形混凝土梁,梁的荷載跨度均為2 000 mm,截面寬度220 mm,高300 mm,架立筋和箍筋分別采用直徑為8 mm和10 mm的鋼筋,箍筋間距100 mm,凈保護(hù)層厚度為30 mm．其中對(duì)比梁B1采用12 mm鋼筋增強(qiáng);B2梁及B5梁采用BFRP和SFCB混雜配筋;B3梁采用SFCB增強(qiáng);傳統(tǒng)混雜配筋梁B4采用10 mm鋼筋和BFRP筋增強(qiáng)．以上筋材的力學(xué)性能如表1所示．其中,d′,d,A分別表示筋材的標(biāo)稱(chēng)直徑、實(shí)測(cè)直徑和實(shí)測(cè)面積;EI,EII分別為屈服前后的彈性模量;fy,fu分別為鋼筋的屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度．通過(guò)測(cè)試3個(gè)邊長(zhǎng)為150 mm的混凝土立方塊,得到本試驗(yàn)所用混凝土平均立方體抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu為43.3 MPa．

圖1 混凝土梁的橫截面示意圖(mm)Fig.1 Cross section of concrete beams

表1 筋材的力學(xué)性能Tab.1 Mechanical properties of the reinforcements

1.2 測(cè)試設(shè)置及方法

本試驗(yàn)在凈跨度為2 000 mm的試驗(yàn)梁上采用四點(diǎn)加載形式進(jìn)行測(cè)量,試驗(yàn)儀器及設(shè)置如圖2所示．試驗(yàn)前,在加載點(diǎn)中心放置2塊尺寸為200 mm×60 mm×25 mm的鋼墊塊,通過(guò)墊塊傳遞豎向荷載．試驗(yàn)前對(duì)試件施加5 kN荷載,確保構(gòu)件穩(wěn)定、接觸良好之后卸載至0 kN,再開(kāi)始測(cè)量．在支座和跨中處分別布置百分表以記錄豎向位移;在試件純彎區(qū)段設(shè)置4個(gè)PI型位移計(jì)測(cè)量橫截面應(yīng)變;在梁側(cè)面繪制間距為40 mm的網(wǎng)格線,以便觀察裂縫的發(fā)展形態(tài),并在跨中處設(shè)置電子裂縫觀測(cè)儀測(cè)量裂縫寬度．試驗(yàn)裝置由承載力為1 000 kN的液壓伺服控制系統(tǒng)控制,通過(guò)力傳感器采集荷載值,在每個(gè)加載步驟記錄撓度、裂縫寬度以及荷載值,直至梁破壞．

圖2 試驗(yàn)儀器及設(shè)置(mm)Fig.2 Test instrument and setup

2 結(jié)果與分析

2.1 破壞形態(tài)

圖3為以B1和B3梁為代表的混凝土梁破壞形態(tài)．各試驗(yàn)梁破壞形態(tài)均為鋼筋屈服后受壓區(qū)混凝土壓潰,但在裂縫形態(tài)及跨中撓度等方面有所差異,普通鋼筋混凝土梁的跨中撓度過(guò)大,裂縫數(shù)量少,但跨中裂縫較寬,如圖3(a)所示．混雜配筋梁的跨中撓度以及裂縫寬度均小于普通混凝土梁,如圖3(b)所示．

圖3 混凝土梁破壞形態(tài)Fig.3 Failure modes of specimens

2.2 承載力

試驗(yàn)參數(shù)包括BFRP與鋼截面面積比Af/As、等效配筋率ρe=(Af+As)/bd．其中Af和As分別表示BFRP筋和縱向受拉鋼筋的截面積;b為混凝土梁截面寬度;d為混凝土梁截面受壓區(qū)的外邊緣至受力筋合力質(zhì)心的距離,即截面的有效高度．試驗(yàn)梁受彎性能的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2,其中Δu為極限撓度,Pu為極限承載力．如表2所示,對(duì)于混雜配筋梁B2～B5,參數(shù)Af/As對(duì)構(gòu)件的極限承載力的影響規(guī)律不明顯,但隨著ρe的增加,其極限承載力相應(yīng)增大,故ρe可視為構(gòu)件抗彎承載力的關(guān)鍵參數(shù)．

表2 混凝土梁的試驗(yàn)值Tab.2 Tested values of concrete beams

2.3 荷載-撓度曲線

圖4為梁的實(shí)測(cè)荷載-撓度曲線．曲線大致分為3個(gè)階段:開(kāi)裂前的彈性階段,開(kāi)裂后的使用階段以及鋼筋屈服后階段．圖4顯示,所有梁的曲線在彈性階段均相似．使用階段的曲線斜率比彈性階段降低,表明開(kāi)裂后梁的剛度有所降低,但由于ρe以及Af/As不同,不同梁的剛度降低程度也有所不同．在混雜配筋梁中,ρe值最低的B2和B3梁剛度降低幅度最為明顯．混雜配筋梁在鋼筋屈服后階段的剛度相比使用階段的剛度未發(fā)生明顯下降,主要原因在于鋼筋屈服后,強(qiáng)度較高的BFRP筋可以繼續(xù)提供二次剛度,且Af/As值越高,剛度降低幅度越小．而對(duì)于傳統(tǒng)鋼筋混凝土梁B1,鋼筋屈服后,構(gòu)件有明顯的屈服平臺(tái)．圖4還表明,隨著ρe值的增大,混雜配筋梁的荷載-撓度曲線的斜率增大,相同荷載下構(gòu)件的變形逐漸減小,相同撓度值對(duì)應(yīng)的荷載值逐漸增大,故ρe可視為與結(jié)構(gòu)抗彎承載力和延性相關(guān)的參數(shù)．

圖4 荷載-撓度曲線Fig.4 Load-deflection curves

2.4 荷載-裂縫曲線

圖5為不同構(gòu)件的荷載-裂縫寬度曲線圖．由圖5可見(jiàn),相同荷載下各混雜配筋梁的裂縫寬度存在明顯差異．B1梁和B4梁的曲線在鋼筋屈服后出現(xiàn)明顯拐點(diǎn),此時(shí)構(gòu)件裂縫迅速增大．B2、B3和B5梁的荷載-裂縫寬度曲線幾乎呈線性,但B2梁和B3梁的ρe較低,故其剛度較小,裂縫寬度較大,因此ρe參數(shù)對(duì)混雜配筋梁裂縫寬度的發(fā)展具有重要影響．與B2梁相比,B3梁的配筋中鋼筋含量較高,因此B3梁在使用階段表現(xiàn)出更好地限制裂縫發(fā)展的趨勢(shì),但由于BFRP含量不變,B3梁在鋼筋屈服后階段的裂縫寬度增長(zhǎng)速率與B2梁相當(dāng)．從圖5中還可看出,與傳統(tǒng)鋼筋混凝土梁B1相比,混雜配筋梁的裂縫寬度得到有效限制,這是因?yàn)锽FRP提供的二次剛度可以有效限制受力筋應(yīng)變的發(fā)展．

圖5 荷載-裂縫寬度曲線Fig.5 Load-crack width curves

2.5 耗能-撓度曲線

為考慮屈服后剛度對(duì)試驗(yàn)梁抗彎強(qiáng)度的影響,將構(gòu)件耗能能力E作為另一個(gè)衡量配筋混凝土梁受彎性能的參考指標(biāo),E為荷載-撓度曲線下與坐標(biāo)軸圍成的面積[12]．圖6為構(gòu)件耗能能力與跨中撓度曲線．混雜配筋梁在極限荷載點(diǎn)的耗能E明顯低于普通鋼筋混凝土梁B1．在混雜配筋梁中,B5梁吸收的總能量最高,約為B1梁的77.41%,主要原因在于,配筋混凝土梁屈服后,其耗能能力與屈服后剛度的大小有關(guān),屈服后剛度越高,耗能能力越好．新型混雜配筋梁B5具有更高的屈服后二次剛度,因此雖然其能量延性不如普通鋼筋混凝土梁,但在發(fā)生受彎破壞前仍然具有較高的耗能能力．

圖6 耗能能力-撓度曲線Fig.6 Energy dissipation-deflection curves

3 結(jié)論

本文對(duì)不同類(lèi)型混雜配筋的混凝土梁進(jìn)行了加載試驗(yàn),并對(duì)其承載力、撓度、裂縫發(fā)展以及耗能能力等進(jìn)行了詳細(xì)研究,結(jié)果表明:BFRP和SFCB混雜配筋梁理想的破壞形態(tài)為鋼筋屈服后混凝土壓潰,該破壞形態(tài)可以保證結(jié)構(gòu)承載力和延性的同時(shí),進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)的耐久性;等效配筋率ρe和As/Af對(duì)BFRP和SFCB混雜配筋梁的性能具有控制作用,ρe值越大,結(jié)構(gòu)的剛度越大,裂縫寬度越小,對(duì)應(yīng)的耗能也相應(yīng)增加,而As/Af對(duì)屈服之后的剛度有明顯的影響．