BFRP筋再生混凝土無腹筋梁開裂荷載試驗研究★

彭長嶺 劉華新

(遼寧工業大學土木建筑工程學院，遼寧 錦州 121001)

傳統混凝土結構中，鋼筋銹蝕仍是導致構件性能退化和耐久性降低的難題。為解決這一問題，纖維增強塑料(Fiber Reinforced Polymer,FRP)筋材替代鋼筋被廣泛提出,FRP筋無磁性，輕質高強、耐腐蝕[1-3]，可以避免鋼筋銹蝕對結構所帶來的損傷，從而提高結構壽命和降低結構昂貴的維護成本。同時為解決天然石材的過度開采，保護生態環境及廢舊混凝土處理不當引起的環境污染問題。許多學者[4-6]對再生混凝土進行了階段性的研究。

對于FRP筋和再生混凝土的研究，多數是單一的作為研究對象進行研究。將FRP筋與再生混凝土兩種材料結合起來，將成為解決建筑行業可持續發展問題的重要途徑之一，但運用于結構構件在國內外還鮮見報道。開裂荷載作為衡量構件抗裂性能的重要指標和預應力構件力學性能計算的重要參數，在工程設計和試驗研究中，都會涉及到開裂荷載的取值,因此對BFRP筋再生混凝土無腹筋梁的開裂荷載進行研究具有較大的工程價值和意義。本文通過對9根BFRP筋再生混凝土無腹筋簡支梁的抗剪試驗研究，分析了BFRP筋配筋率、剪跨比、截面高度和混凝土抗壓強度對BFRP筋再生混凝土無腹筋梁的開裂荷載影響。并將BFRP筋再生混凝土無腹筋梁的開裂荷載的試驗值與當前開裂荷載計算的理論值進行比較分析，為以后在工程設計和實驗研究中，涉及到BFRP筋再生混凝土無腹筋梁開裂荷載的取值問題，提供一定的理論依據。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

試驗材料來源和性能見文獻[7]。試驗梁縱筋采用直徑為16 mm的玄武巖纖維筋，極限抗拉強度為1 123 MPa，彈性模量為51.3 GPa。

1.2 實驗設計

試驗中設計的混凝土配合比見表1。

表1 混凝土配合比

1.3 試驗裝置以及加載方式

試驗采用5 t彎剪壓力試驗機，四點彎曲加載，由分配梁實現，試驗加載示意圖如圖1所示，加載過程嚴格按照相關規范進行，加載采用1 kN/s的速率持續加載方式，直至試件破壞。

2 試驗結果及分析

2.1 試驗現象

除BF-3梁外其他梁均發生剪切破壞，BF-3梁發生彎剪破壞，如圖2所示。加載初期梁的裂縫開展情況與剪切破壞類似，均先產生彎曲裂縫，再產生斜裂縫。荷載加載到極限荷載時，梁的垂直裂縫迅速貫穿整個截面，導致受壓區混凝土高度急劇下降，梁發生彎剪破壞。其他試驗梁的剪切破壞過程與普通混凝土梁基本無差別。典型破壞形態以BF-2為例，見圖3。

2.2 開裂荷載影響因素分析

2.2.1剪跨比的影響

圖4為不同剪跨比下的開裂荷載折線圖。對比BF-1，BF-2，BF-3這3根試驗梁數據可以明顯的看出，其他條件相同下,BFRP筋再生混凝土梁初裂抗剪強度與剪跨比有關，隨著剪跨比的增加BFRP筋再生混凝土梁的開裂荷載逐漸降低。當剪跨比提高0.19%時，開裂荷載降低了46.67%，剪跨比再次提高0.29%時，開裂荷載降低了5%，實驗梁開裂荷載的下降程度有所降低，但是仍處于下降的趨勢。這是因為再生混凝土的受壓會抑制裂縫的開裂，當剪跨比較小時，混凝土的壓應力對于斜裂縫的開裂抑制作用較明顯，會提高混凝土斜截面開裂荷載。所以隨著剪跨比的增加，混凝土壓應力逐漸減小，斜開裂荷載也隨之減小。這與文獻[9][10]所得結論一致。

2.2.2配筋率的影響

普通混凝土梁縱筋率的增加不僅可以提高梁的剛度，還可以增大縱筋與混凝土的接觸面積，提高縱筋和混凝土的粘結強度，從而降低梁的彎曲變形和縱筋與混凝土的相對滑移，最終提高梁的開裂荷載。但提高的效果并不很明顯，因為當梁開裂時，主要受混凝土的控制，縱筋應力很小，起到的作用不明顯。圖5顯示了其他條件相同下，不同配筋率對開裂荷載的影響。對比BF-1，BF-4，BF-5這3根梁實驗數據，可以看出BFRP再生混凝土無腹筋梁開裂荷載與配筋率有關，當配筋率從0.77%提高到0.92%時，開裂荷載提高了10.7%。但是當配筋率繼續增加到1.16%時，開裂荷載反而降低了51.8%。這可能與BFRP筋有較大的抗拉強度的特性有關，也有可能因為試驗時，初開裂狀態靠肉眼辨別，使試驗結果產生了隨機性和離散性。總之，從圖5可以看出，在一定范圍內提高配筋率可以小程度的提高試驗梁的開裂荷載。

2.2.3截面高度影響

圖6顯示了不同截面高度下BF-1，BF-6，BF-7的開裂荷載。可以看出，BFRP筋再生混凝土無腹筋梁的開裂荷載與梁的截面高度有關。當試驗梁的截面高度從300 mm增加到350 mm時，梁的開裂荷載提高了52%，當截面高度增加到400 mm時，梁的開裂荷載提高了5.3%。因為一方面，在簡支梁中，梁的有效高度與剪跨比成反比例關系，隨著試驗梁的有效高度增加，梁的剪跨比逐漸減小，從而導致梁的開裂荷載增大。另一方面，截面高度的增加提高了梁的剛度和梁內骨料咬合力。

2.2.4混凝土抗壓強度的影響

普通混凝土梁的開裂是由于混凝土的主拉應力達到混凝土的極限抗拉強度所致，隨著混凝土的抗壓強度提高，其抗拉強度將有所提高。因此BFRP筋再生混凝土梁開裂荷載同樣受到再生混凝土的抗壓強度影響。圖7為其他參數相同下，不同混凝土抗壓強度對開裂荷載的影響。可以看出，再生混凝土抗壓強度與BFRP筋再生混凝土無腹筋梁的開裂荷載大致成線性函數關系。當再生混凝土強度提高26.8%，23.1%時，試驗梁的開裂荷載分別提高了2.67%，6.5%，梁的開裂荷載隨著混凝土的強度提高，逐漸增大，提高的幅度相差并不是很大。

3 相關規范比較

3.1 ACI 318M-05規范[11]的計算方法

根據ACI 318M-05規范，開裂荷載的計算方法為：

3.2 過鎮海[12]的計算方法

按材料塑性變形計算，將簡化后得到的截面應力計算模型建立平衡方程，最終得到開裂荷載的計算方法：

Mcr=0.256ftbh2。

其中，ft為混凝土抗拉強度;b為梁的截面寬度；h為梁的高度。

3.3 吳瑾，丁東方[13]和徐廣舒[14]的計算方法

通過對再生混凝土梁的正截面的開裂荷載的試驗研究，文獻[8]和文獻[9]得出了相同的再生混凝土梁開裂荷載計算方法：

Mcr=1.224W0ft。

表2 開裂荷載試驗值與理論值及其比值

將BFRP筋再生混凝土無腹筋梁的開裂荷載的試驗值與理論值進行比較，見表2。

由表2可以看出，ACI 318M-05規范[11]和吳瑾等[13]和徐廣舒[14]計算得到的開裂荷載理論值基本上都小于實驗值，具有一定安全儲備量。過鎮海[12]計算得到的開裂荷載理論值較實驗值大，偏于不安全。三種不同的開裂荷載計算方法得到的理論值與實驗值的比值的變異系數均達到了0.25，其偏差和離散性較大。由此表明當前的開裂荷載計算方法已經不再適用BFRP筋再生混凝土無腹筋梁的開裂荷載計算。

4 結語

通過對9根BFRP筋再生混凝土無腹筋梁的抗剪試驗研究，探究了剪跨比，配筋率，截面高度，混凝土強度對BFRP筋再生混凝土無腹筋梁開裂荷載影響程度，得到以下結論：

1)BFRP筋再生混凝土無腹筋梁均發生脆性破壞，裂縫首先出現在梁的純彎段，最終破壞位置集中在分配梁的支點附近。

2)在相同條件下，BFRP筋再生混凝土梁的開裂荷載隨著剪跨比的增加而減小，但減小的程度有所降低。

3)在一定范圍內，增加縱筋率、截面高度和再生混凝土抗壓強度能提高BFRP筋再生混凝土梁的開裂荷載。

4)當前的開裂荷載計算方法已經不再適用于BFRP筋再生混凝土無腹筋梁開裂荷載的計算。