BFRP筋纖維混凝土梁裂縫分析研究

張勁松 王汝恒 劉 瀟

(西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院,四川 綿陽 621010)

?

BFRP筋纖維混凝土梁裂縫分析研究

張勁松 王汝恒 劉 瀟

(西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院,四川 綿陽 621010)

針對BFRP筋混凝土結(jié)構(gòu)受彎時(shí)出現(xiàn)裂縫較大的特點(diǎn)，在BFRP筋混凝土梁中加入短切玄武巖纖維，探究了其裂縫的改善情況，并完成了3種纖維體積摻量和3種配筋率下的BFRP筋纖維混凝土梁的抗彎試驗(yàn)，得出了玄武巖纖維體積摻量和配筋率對BFRP筋纖維混凝土梁裂縫的影響規(guī)律。

BFRP筋梁，短切玄武巖纖維，結(jié)構(gòu)裂縫，抗彎性能

0 引言

傳統(tǒng)鋼混材料應(yīng)用雖然廣泛，但其結(jié)構(gòu)的銹蝕問題也是難以解決的突出問題。隨著BFRP(玄武巖纖維復(fù)合材料)的出現(xiàn)和發(fā)展，用耐腐蝕性好的BFRP筋代替鋼筋就成了從根源上徹底解決這一問題的最理想方法。BFRP筋極限抗拉強(qiáng)度約為1 600 MPa，略低于CFRP(碳纖維復(fù)合材料)筋，但由于我國掌握自主知識產(chǎn)權(quán)，其價(jià)格僅為CFRP筋的1/5。目前國內(nèi)外對BFRP筋混凝土結(jié)構(gòu)的研究很多，但研究中發(fā)現(xiàn)[1,2]該結(jié)構(gòu)裂縫、撓度較大，延性較差的問題，這就嚴(yán)重制約了該結(jié)構(gòu)的發(fā)展和應(yīng)用。研究表明，在一般鋼混結(jié)構(gòu)中摻入短切玄武巖纖維可改善結(jié)構(gòu)的裂縫和撓度。因此，本文提出把BFRP筋與玄武巖纖維混凝土進(jìn)行結(jié)合制成梁構(gòu)件，通過對BFRP筋配筋率和玄武巖纖維摻量對結(jié)構(gòu)受彎時(shí)裂縫開展的影響，對于該結(jié)構(gòu)在工程實(shí)際中的發(fā)展應(yīng)用有深遠(yuǎn)的意義。

1 試驗(yàn)概況

根據(jù)鋼混結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程中的運(yùn)用，本試驗(yàn)BFRP筋纖維混凝土梁的設(shè)計(jì)截面尺寸為300 mm×250 mm，長2 700 mm。本試驗(yàn)主要研究短切BFRP纖維的體積摻量與縱向BFRP筋配筋率對梁裂縫的影響，共設(shè)計(jì)3種配筋率和3種玄武巖纖維摻量。試驗(yàn)具體配筋情況及分組如表1所示。

表1 試驗(yàn)分組及配筋率

2 試驗(yàn)現(xiàn)象

本文重點(diǎn)觀察了短切玄武巖纖維對BFRP筋梁裂縫的改善情況，所有試驗(yàn)梁的初始裂縫位置基本相同，均出現(xiàn)在梁的純彎段跨中或跨中附近的位置；但隨著短切玄武巖纖維的摻入，初始裂縫的寬度并不相同，其中BL1初始裂縫寬度為0.9 mm，BL2～BL6初始裂縫寬度相差較小，在0.2 mm～0.4 mm之間。初始裂縫出現(xiàn)后，各試驗(yàn)梁的初始裂縫發(fā)展趨勢基本相同，隨著荷載的增大，初始裂縫高度都不斷升高，但其寬度變化均不大。各試驗(yàn)梁裂縫總體的發(fā)展趨勢基本相同，裂縫先出現(xiàn)在純彎段，并隨荷載增大升高，隨后出現(xiàn)在加載點(diǎn)或者剪跨段，且寬度發(fā)展較純彎段的裂縫更快，在加載點(diǎn)處和剪跨的裂縫最后隨荷載增大均發(fā)生橫向或斜向發(fā)展，沿整個(gè)梁的長度方向裂縫分布逐漸密集，間距逐漸減小，且裂縫形狀由最開始的單一豎向裂縫，發(fā)展為樹根型的三角裂縫。主要試驗(yàn)如圖1所示。

3 BFRP筋梁裂縫分析

根據(jù)BL1號～BL4號試驗(yàn)梁在45 kN,90 kN,135 kN,180 kN時(shí)跨中最大裂縫寬度做出跨中裂縫寬度隨短切玄武巖纖維體積摻量的變化曲線如圖2所示。

在荷載為45 kN時(shí)摻入短切BFRP纖維可以較好的降低梁的跨中裂縫，且改善的幅度隨玄武巖纖維摻量的增大而增大；在荷載為90 kN時(shí)摻入短切BFRP纖維可以較好的降低梁的跨中裂縫，但降低效果并不隨玄武巖纖維摻量的增大而變化；當(dāng)荷載較大時(shí)，只有玄武巖纖維體積摻量不大于0.4%時(shí)對梁的跨中裂縫有所改善，且此時(shí)的改善效果均不明顯。在荷載45 kN時(shí)，摻入體積摻量為0.6%的玄武纖維對跨中裂縫的改善效果最優(yōu)，在荷載大于45 kN時(shí)摻入體積摻量為0.4%的玄武巖纖維對跨中裂縫改善效果最優(yōu)。

由于BL6的極限荷載僅為90 kN，為準(zhǔn)確比較縱向BFRP筋配筋率對跨中裂縫寬度的影響，選取BL2號,BL5號,BL6號試驗(yàn)梁在45 kN,65 kN,85 kN和105 kN時(shí)跨中最大裂縫寬度，做出跨中裂縫寬度隨短切玄武巖纖維體積摻量的變化曲線如圖3所示。

當(dāng)玄武巖纖維體積摻量都為0.2%時(shí)，荷載為45 kN時(shí)跨中最大裂縫隨縱向BFRP筋配筋率的增大，沒有明顯變化。當(dāng)荷載大于45 kN時(shí)，跨中裂縫隨縱向BFRP筋配筋率的增大均有所減小。荷載為65 kN時(shí)，對比BL5和BL6，縱向BFRP筋配筋率增大50%，跨中裂縫寬度減小了50%；對比BL5和BL2，縱向BFRP筋配筋率繼續(xù)增大50%，此時(shí)跨中裂縫減小了18.2%。荷載為85 kN時(shí)，對比BL6和BL5，縱向BFRP筋配筋率增大50%，跨中裂縫寬度減小了46.7%；對比BL5和BL2，縱向BFRP筋配筋率繼

續(xù)增大50%，此時(shí)跨中裂縫減小了37.5%。荷載為105 kN時(shí)，由于在90 kN時(shí)BL6發(fā)生了破壞，此時(shí)僅比較BL2,BL5，縱向BFRP筋配筋率增大50%時(shí)，跨中裂縫寬度減小了57.6%。綜合分析可見，當(dāng)玄武巖纖維體積摻量都為0.2%時(shí)，隨著縱向BFRP筋配筋率的增大，跨中最大裂縫寬度會減小，但減小的幅度并不相同，在配筋率較小時(shí)，隨著配筋率的增大裂縫寬度減小的幅度較大，一般在50%左右；當(dāng)配筋率較大時(shí)，隨配筋率的增大，跨中最大裂縫的寬度減小幅度較小，一般在30%左右。

4 結(jié)語

本文對BFRP筋纖維混凝土梁抗彎性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并對其裂縫的開展進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：

1)摻入短切玄武巖纖維可減小BFRP筋混凝土梁的初始裂縫寬度，但隨著纖維摻量的增加減小的幅度情況并不會增大。

2)BFRP筋梁裂縫的發(fā)展趨勢基本相同，裂縫先出現(xiàn)在純彎段，并隨荷載增大升高，隨后出現(xiàn)在加載點(diǎn)或者剪跨段，且寬度發(fā)展較純彎段的裂縫更快，在加載點(diǎn)處和剪跨的裂縫最后隨荷載增大均發(fā)生橫向或斜向發(fā)展，沿整個(gè)梁的長度方向裂縫分布逐漸密集，間距逐漸減小，且裂縫形狀由最開始的單一豎向裂縫，發(fā)展為樹根型的三角裂縫。

3)摻入短切BFRP纖維可以較好的降低梁的跨中裂縫，但降低效果并不隨玄武巖纖維摻量的增大而變化。在荷載大于45 kN時(shí)摻入體積摻量為0.4%的玄武巖纖維對跨中裂縫改善效果最優(yōu)。

4)隨著縱向BFRP筋配筋率的增大，跨中最大，裂縫寬度會減小，但減小的幅度并不相同，在配筋率較小時(shí)，隨著配筋率的增大，裂縫寬度減小的幅度較大，一般在50%左右；當(dāng)配筋率較大時(shí)，隨配筋率的增大，跨中最大裂縫的寬度減小幅度較小，一般在30%左右。

[1] 高丹盈，李趁趁，朱海堂.纖維增強(qiáng)塑料筋的性能與發(fā)展[J].纖維復(fù)合材料，2002(4):37-40.

[2] 王 勃，何 政，張新越，等.纖維聚合物筋在土木工程中的應(yīng)用[J].建筑技術(shù)，2003，34(2):134-135.

[3] 袁競峰.新型FRP筋混凝土梁受彎性能研究[D].南京：東南大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006.

[4] H.A. Abdullah. Evaluation of deflection in concrete members reinforced with fibre reinforced polymer(FRP) bars[J].Composite Structures，2002，56(1):63-71.

[5] 宋 洋.玄武巖FRP筋混凝土梁受彎性能試驗(yàn)研究[D].阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006.

[6] 王 鈞，馬 躍，張 野，等.短切玄武巖纖維混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)與分析[J].工程力學(xué)，2014(S1):99-102.

Research of BFRP steel fiber concrete beam crack analysis

Zhang Jinsong Wang Ruheng Liu Xiao

(SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,SouthwestUniversityofScienceandTechnology,Mianyang621010,China)

Aimed at the characteristic of the BFRP steel concrete structure of the bending crack, based on the BFRP add chopped basalt fiber reinforced concrete beams, to explore the improvement of the cracks. Completed the three kinds of fiber volume content and three kinds of BFRP under the reinforcement ratio of steel fiber reinforced concrete beam bending test. It is concluded that the basalt fiber volume content and reinforcement ratio of BFRP steel fiber concrete beam crack are studied.

BFRP reinforced beam, chopped basalt fibers, structure cracks, the bending performance

1009-6825(2017)10-0059-02

2017-01-21

張勁松(1990- )，男，在讀碩士

TU375.1

A