用HRS筋棒取代鋼筋混凝土中的鋼筋

趙海明

(石家莊鼎盛交通建設(shè)監(jiān)理咨詢(xún)有限公司)

1 概 述

用纖維增強(qiáng)聚合物(FRP)修復(fù)或加固鋼筋混凝土構(gòu)件加固的最初形式是把碳纖維布(或CFRP 板)粘貼在構(gòu)件受拉壓表面上。目前，這種做法已在全世界范圍內(nèi)流行。近期研究發(fā)現(xiàn)，粘貼在混凝土表面上的纖維板很容易開(kāi)膠、脫落，而開(kāi)膠時(shí)FRP 的應(yīng)變值遠(yuǎn)未達(dá)到它固有的極限應(yīng)變值，也就是說(shuō)，纖維自身還有很大的潛力沒(méi)有發(fā)揮出來(lái)。

還有一種使用方式是在預(yù)制的FRP 空管內(nèi)填充混凝土，形成類(lèi)似鋼管混凝土的FRP 管混凝土。近年來(lái)，更有一些研究，將FRP 材料制成筋棒，或圓或方，形如鋼筋，制成FRP 筋混凝土構(gòu)件。在德國(guó)，已研究成功玻璃纖維預(yù)應(yīng)力筋，取代普通的鋼絞線(xiàn)，制成FRP 預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件。

許多材料研究人員對(duì)組合筋棒感興趣，他們著眼于，用幾種材料組合起來(lái)的筋棒可能得到比單獨(dú)使用時(shí)更好的力學(xué)性能;而結(jié)構(gòu)工程師則把組合筋棒作為解決FRP 低延性缺陷的手段。

FRP 做成的筋棒，強(qiáng)度高、重量輕，不生銹，是一種極好的砼加筋材料。FRP 的缺點(diǎn)是延性較差，這幾乎是它遭非議的唯一理由。這里提出了制作一種組合斷面的筋棒，意在獲得較高承載力的同時(shí)，又具有較好的延性。

用鋼筋(或鋁材)作芯棒，周邊裹以FRP 纖維，制成的組成筋棒稱(chēng)為HRS(Hybrid reinforcement system)。置HRS 筋棒于混凝土內(nèi)，作為混凝土梁板的主要受力部件。

HRS 組合斷面分為“核心”和“周邊”的部分。研究的主要內(nèi)容和變量有:核心和周邊部分的材料類(lèi)型;周邊纖維層數(shù);各種HRS 受彎構(gòu)件對(duì)承載能力的影響;對(duì)結(jié)構(gòu)延性的評(píng)價(jià);HRS 對(duì)裂縫寬度、撓度的影響。試驗(yàn)結(jié)構(gòu)表明，采用HRS 配筋的構(gòu)件，提高了抗彎能力和開(kāi)裂彎矩，大大改善了延性，減小了裂縫寬度。

2 HRS 筋棒的構(gòu)造

HRS 筋棒由兩部分組成，一是芯棒，二是周邊纖維。芯棒由圓鋼(也有用鋁棒)擔(dān)任，周邊有各種纖維布(纖維束)圍繞，常用的有碳纖維或玻璃纖維(圖1)。HRS 的定義是:用兩種以上材料組合成整體筋棒，置于混凝土構(gòu)件中，與砼共同受力。它可以用作為置筋，也可以用作體外筋。不用類(lèi)型的HRS 棒具有不同的力學(xué)性能(表1)。從應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)看，外圍的碳纖維在達(dá)到大約1%的應(yīng)變時(shí)就會(huì)破斷，之后便由芯棒單獨(dú)受力。周邊纖維可以是單層的，也可以是雙層的，纖維含量和層數(shù)影響著HRS 的極限強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度。這兩種材料組合成整體筋棒能夠同心協(xié)力，共同承受荷載，達(dá)到一定變形后，纖維破斷，才由芯棒單獨(dú)受力，直至結(jié)構(gòu)破壞。

核心材料表面涂以環(huán)氧樹(shù)脂，同時(shí)用濕法纏繞纖維(碳纖維或玻璃纖維)。芯棒穿上環(huán)氧樹(shù)脂外衣可以避免它和周邊纖維直接接觸。這是因?yàn)槎咧g有電位差，可能導(dǎo)致鋼材銹蝕。如果芯棒采用鋁材，還可能與混凝土中的堿作用，產(chǎn)生不利影響，所以更需穿上樹(shù)脂外衣。外圍纖維一定要被環(huán)氧樹(shù)脂漿液浸透，其纖維方向應(yīng)與芯棒軸線(xiàn)平行。芯棒采用φ8 圓鋼。

表1 HRS 棒類(lèi)型及力學(xué)特性

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 破壞模式

對(duì)用HRS 作為主要受力筋的混凝土板進(jìn)行了荷載試驗(yàn)。板的破壞模式與HRS 的組成有關(guān)。所有梁板均屬于受彎破壞，都經(jīng)歷了HRS 的屈服階段。對(duì)于只配鋼芯棒的普通鋼筋混凝土梁板，它的延性破壞特征非常明顯，首先出現(xiàn)始自受拉邊的裂縫，之后，逐漸向上擴(kuò)展。其他配有HRS 的梁板也都屬于延性破壞，包括以下各種構(gòu)件:(1)鋼芯棒加一層玻璃纖維;(2)鋼芯棒加兩層玻璃纖維;(3)鋼芯棒加兩層碳纖維;(4)鋼芯棒加一層碳纖維和一層玻璃纖維。它們的破壞都呈現(xiàn)出以下歷程:裂縫逐漸向上擴(kuò)展，由受壓邊混凝土被壓碎而引起破壞。

3.2 撓度特點(diǎn)

在未開(kāi)裂之前，各種類(lèi)型的構(gòu)件撓度差別不大。構(gòu)件撓度與芯棒、纖維分擔(dān)力之比有關(guān)。同樣荷載下，采用鋼芯棒的構(gòu)件比鋁芯棒構(gòu)件的剛度大，撓度明顯變小。在有兩層碳纖維的HRS 試驗(yàn)中，出現(xiàn)了撓度突然變大的情況，這是由于周邊纖維破斷所致。

周邊纖維的層數(shù)明顯影響構(gòu)件撓度，兩層玻璃纖維比一層玻璃纖維的情況，撓度減小了50%;兩層碳纖維比一層碳纖維情況，撓度減小了67%。

對(duì)不同類(lèi)型的纖維相比發(fā)現(xiàn)，在裂縫出現(xiàn)之前，他們的撓度無(wú)多大差別;而裂開(kāi)之后，用碳纖維HRS 時(shí)的構(gòu)件撓度僅為玻璃纖維時(shí)的1/3。

3.3 裂縫和極限承載力

采用鋼質(zhì)芯棒的HRS 與鋁材芯棒的相比，鋼芯棒HRS配筋的梁板，其極限荷載和開(kāi)裂荷載均較鋁材者高，而且裂縫寬度也較小。無(wú)論采用哪種HRS 配筋，構(gòu)件的裂縫寬度與常規(guī)的鋼筋砼比，裂縫寬度變窄了1/3;而極限荷載則提高了10% ～90%。

在鋼筋屈服之前，不同的周邊纖維種類(lèi)對(duì)裂縫寬度無(wú)多大影響。在同樣荷載作用下，碳纖維HRS 筋要玻璃纖維者的裂縫寬度小;兩層纖維時(shí)要比一層纖維時(shí)裂縫變窄。

3.4 延性反應(yīng)

延性模量的定義為，在結(jié)構(gòu)破壞之前“荷載—撓度”曲線(xiàn)以下所覆蓋的面積;結(jié)構(gòu)破壞是指，荷載不變(或下降)時(shí)撓度在持續(xù)增大。延性模量代表著結(jié)構(gòu)在破壞之前吸收能量的能力。不同種類(lèi)的HRS 棒配筋的梁板，計(jì)算出的延性模量列于表2。

表2 各種HRS 板的延性模量

續(xù)表2

從表中可以看出，各種HRS 配筋的梁板，其延性均大大增加;采用玻璃纖維做周邊纖維時(shí)，比碳纖維者具有更大的延性;兩層周邊纖維要比一層周邊纖維延性大。

4 結(jié) 論

(1)在HRS 中，采用鋼質(zhì)芯棒比鋁質(zhì)芯棒好。配有鋼芯棒的HRS 構(gòu)件呈現(xiàn)出彎曲延性破壞;而鋁芯棒構(gòu)件則可能出現(xiàn)脆性破壞。

(2)配有玻璃纖維的HRS 筋構(gòu)件，與碳纖維者相比，具有更大的撓屈能力。

(3)無(wú)論哪種HRS 配筋，與普通鋼筋混凝土相比，裂縫寬度均有不同程度的變窄，減小幅度為29% ～75%;用碳纖維HRS 配筋，比玻璃纖維更窄。

(4)周邊纖維面積與芯棒面積之比，明顯地影響著構(gòu)件的承載能力。

(5)無(wú)論哪種HRS 配筋，構(gòu)件的極限強(qiáng)度均比普通鋼筋砼構(gòu)造要高，高出范圍為54% ～82%。

(6)芯棒與周邊纖維承力之比越大，構(gòu)件撓曲能力越大。

(7)建議在設(shè)計(jì)用HRS 配筋的構(gòu)件時(shí)，不但要使它比常規(guī)構(gòu)件有更高的承載能力，還要使它具有更好的延性。