鋼玄武巖纖維復合筋混凝土梁受剪承載力試驗研究

范旭紅　倪林　秦衛紅　解鵬　張思博

摘 要：鋼玄武巖纖維復合筋（SFCB）兼具鋼筋的延性和玄武巖纖維的防腐性能，并具有顯著的二次剛度，但彈性模量低于鋼筋。SFCB作為縱向筋時可使混凝土構件的受彎性能具有二次剛度，但構件的受剪承載力會低于鋼筋混凝土梁。為深入研究SFCB作為縱筋時混凝土梁的受剪性能，以縱筋筋材種類、構件剪跨比為試驗參數，進行梁的四點加載試驗。詳細分析了不同參數對混凝土梁的破壞形態、裂縫發展、受剪承載力的影響。試驗結果表明：SFCB混凝土梁的受剪破壞主要呈現斜壓破壞、剪壓破壞和非典型剪壓破壞3種形態。SFCB混凝土梁的受剪承載力整體低于鋼筋混凝土梁、斜裂縫寬度大于鋼筋混凝土梁。基于桁架拱模型，推導了SFCB混凝土梁受剪承載力的理論計算公式。與試驗承載力對比發現，SFCB混凝土梁受剪承載力理論計算公式具有一定的適用性與安全性。

關鍵詞：鋼玄武巖纖維復合筋;受剪承載力;試驗研究;破壞模式;裂縫發展

中圖分類號：TU375.1? ?文獻標志碼：A ??文章編號：2096-6717（2021）02-0112-11

Abstract： The steel-basalt fiber composite bar （SFCB） has the advantages of the ductility of steel bar and the corrosion resistance of basalt fiber， and has significant secondary stiffness as well. However， SFCB's elasticity modulus is lower than that of the steel bar. The application of SFCBs as longitudinal reinforcement bars enables the flexural properties of concrete members to present secondary stiffness， but the shear capacity of the members will be reduced， compared with that of steel reinforced concrete beams. In this paper，four-point loading experiment of the beams longitudinal reinforced with SFCBs were carried out， taking the following variables of the specimens into consideration： the type of longitudinal reinforcement， and the shear span ratio. The influences of the above variables on the shear failure modes， the development of diabonal cracks， and shear force capacity of the above concrete beams were analyzed and summarized in detail.The research revealed the following three main results： the failure modes of the SFCB beam were mainly described as diagonal-compression failure，shear-compression failure and atypical shear-compression failure; the shear force capacity of SFCB beams was lower than that of steel reinforced beams; the diagonal cracks of SFCB reinforced beams were wider than those of steel reinforced beams. Based on the truss arch model， the shear force capacity formula of SFCB beams is derived.The calculating results of the formula agree well with the experimental ones with fairly applicability and safety.

Keywords：steel-basalt fiber composite bar （SFCB）; shear bearing capacity; experimental research; failure modes; crack development

纖維增強復合材料（fiber reinforced polymer，簡稱FRP）由于擁有高含量的纖維，使得其抗拉強度相比鋼筋具有一定的優勢，故近年來關于FRP材料在混凝土結構中的應用獲得了學者們的廣泛關注。

徐玉野等[1]探究了碳纖維復合材料的加入對混凝土抗震性能的提升效果，盧亦焱等[2]對纖維的加固效果進行了深入研究，吳濤等[3]圍繞纖維摻量、縱筋類型、配筋率及縱筋直徑等參數對混凝土梁的承載能力、撓度發展、抗裂性能展開了完整、深入的分析，牛建剛等[4]研究了不同纖維摻入量情況下混凝土梁受彎承載力的變化規律。FRP筋混凝土梁受剪方面，Lignola等[5]推導了FRP箍筋梁受剪承載力計算公式，Issa等[6]對不同配箍率的BFRP筋混凝土梁試件進行受剪試驗，Refai等[7]深入研究了FRP縱筋軸向剛度對抗剪強度的影響，Alam等[8]探究了FRP混凝土梁尺寸對承載力的影響，張智梅等[9]研究了FRP箍筋梁的受剪承載力，劉宗全等[10]對各國規范中FRP筋混凝土梁斜截面承載力計算公式的可靠性進行了全面的評價。由上述對FRP和混凝土混合材料性能以及FRP梁受彎、受剪的研究可知，以FRP筋替代鋼筋作為縱筋雖然可提高梁受彎承載力，但FRP筋彈性模量較低，沒有明顯屈服點，所以受彎破壞時容易發生脆性破壞，沒有明顯預兆，正常使用狀態下剛度低、裂縫寬度大。并且，FRP筋混凝土梁的受剪承載力比鋼筋混凝土梁低。

因此，如何在保留FRP強度優勢的同時改善其彈性模量低的缺點，并提高構件的剛度、延性和受剪承載力成為推廣其應用的關鍵問題。Bakis等[11]使用AFRP纖維布包裹鋼筋制備混雜筋材，吳剛等[12]將鋼筋與纖維增強復合材料進行復合，得到新型筋材“鋼玄武巖纖維復合筋”，鄭百林等[13]則選擇使用GFRP材料包覆鋼筋，制作了外包玻璃纖維的鋼連續纖維復合筋（steel-basalt fiber composite bar （SFCB）;羅云標等[14]則通過OpenSees軟件模擬探究了SFCB混凝土結構在反復荷載下的受力性能。

上述研究表明，SFCB具有明顯的二次剛度、且屈服后殘余變形較小。盡管SFCB筋彈性模量與抗剪強度高于FRP筋，但是其彈性模量和筋材抗剪強度仍然低于鋼筋。因此，SFCB筋材在梁內起到的銷栓作用要弱于鋼筋。由于銷栓作用計算較復雜，現有規范中鋼筋混凝土梁受剪承載力公式未單獨列出銷栓作用貢獻，而是將其貢獻以及裂縫間骨料咬合作用一起并入到混凝土對受剪承載力的貢獻中。如果完全按照鋼筋混凝土梁受剪公式計算SFCB混凝土梁，會帶來安全隱患。基于梁配筋設計時所遵循的“強剪弱彎”原則，梁的受剪性能應受到重點關注。筆者依據SFCB混凝土梁與鋼筋混凝土梁受剪試驗結果，研究適用于SFCB的受剪承載力公式，為后續SFCB相關研究提供參考。

1 試驗概況

1.1 試件設計

設計了16根混凝土梁，其中，底部受拉縱筋為SFCB筋的梁10根（S1～S10），受拉縱筋為322（HRB400）的對比梁6根（D1～D6），所有試件梁頂部受壓縱筋均配置為222;梁純彎段與剪跨段箍筋均為6@200，整體的配箍率為0.001 9，箍筋保護層厚度為20 mm。圖1為梁配筋與試驗裝置示意圖，圖中a、b、c為筋材應變片粘貼位置，分別測量剪跨段支座近處箍筋應變、支座遠處箍筋應變與縱筋應變，應變片均左右對稱布置。梁截面尺寸為b×h=150 mm ×250 mm。表1為各試件梁詳細參數梁跨度、剪跨比、縱向鋼筋配筋情況。表1中“2S10B17”代表梁底部縱筋為兩根內芯配置10 mm直徑鋼筋、外層包裹17匝BFRP纖維層的SFCB筋，其余同理。

1.2 材料性能

試驗預留3塊立方體混凝土標準試塊，養護后進行力學試驗。試驗所用筋材、混凝土具體力學性能參數見表2～表4。

1.3 加載方案

試驗采用四點加載方式施加荷載（如圖1所示）。荷載由千斤頂提供，通過力傳感器控制。力傳感器和應變片均與泰斯特靜態應變測試儀相連。試驗前先進行15 kN的預加載，然后按照每級5 kN分級加載，在接近開裂荷載及極限荷載計算值時適當放慢加載步。每級荷載加載完等待5 min。試驗結果見表5。

2 試驗現象

SFCB混凝土梁的破壞呈現出不同的剪切破壞形態（列于表5），主要包括斜壓破壞，剪壓破壞與非典型剪壓破壞3種，破壞特征類似于鋼筋混凝土梁。典型破壞形態試驗照片如圖2所示。由于梁所配箍筋均為適中配箍率，所以，影響試件破壞形態的主要因素為剪跨比。

2.1 斜壓破壞（以梁S6為例）

斜壓破壞大多發生于小剪跨比試件中，試驗中小剪跨比為λ≤1。以圖2（a）所示的試件梁S6為例，裂紋發展初期表現為梁跨中純彎段的細小垂直裂縫。隨著加載的持續，梁腹彎剪段開始出現多條斜裂縫，斜裂縫大致呈現平行狀態，將梁腹分割成若干個有角度的斜向短柱，使得該處混凝土逐漸喪失承載能力;梁腹部主壓應力隨著荷載提高不斷增大，使得斜裂縫逐漸趨于密集。最后，過大的應力導致腹部混凝土發生破碎，試件梁破壞，同時混凝土保護層出現剝落現象。

2.2 剪壓破壞（以梁S4為例）

剪壓破壞大多發生于剪跨比適中的試件中，試驗中剪跨比適中范圍為1<λ<2.5。以圖2（b）所示試件S4為例，加載初期，試件梁S4的細小彎曲裂縫首次出現在純彎段梁底部。隨后，剪跨段梁底部也出現細小彎曲裂縫，隨著荷載的增加，裂縫開始傾斜。其中1～2條斜裂縫增長速率較快，并迅速發展為臨界斜裂縫。臨界斜裂縫形成時，梁內與臨界斜裂縫相交的箍筋屈服。箍筋屈服之后，臨界斜裂縫走向迅速向加載點開展，但發展至一定高度后便不會繼續增長，裂縫上部會保持一定高度的混凝土剪壓區。直至該處剪壓應力超出混凝土承受極限，使得混凝土壓碎，梁破壞。

2.3 非典型剪壓破壞（以梁S10為例）

試件梁剪跨比較大時，大多會發生非典型剪壓破壞，試驗中剪跨比λ≥2.5定義為剪跨比較大。圖2（c）展示了具備非典型剪壓破壞特征的試件梁S10的照片。開始加載后，裂縫最初為跨中純彎段的細小垂直裂縫，隨后，梁剪跨段下部形成垂直裂縫并向腹部傾斜形成斜裂縫。斜裂縫數量少但開展迅速，短時間內便與該處的箍筋相交，其中一條發展為臨界斜裂縫。伴隨著荷載的增大，與臨界斜裂縫相交的箍筋屈服，然后，臨界斜裂縫迅速延伸至梁頂部集中加載點，加載點附近的混凝土剪壓區面積很小，甚至不能形成剪壓區，梁很快破壞。

3 試驗結果分析

3.1 箍筋應變

每種破壞模式各選2根SFCB混凝土梁與1根鋼筋混凝土梁，根據箍筋（與臨界斜裂縫相交的應變較大的箍筋）應變片采集數據，繪制其荷載與箍筋應變的關系曲線，如圖3所示。

由圖3可知，梁S1、S6、D2（呈現斜壓破壞）箍筋初始應變增長緩慢，達到破壞荷載后箍筋應變增長速率急劇增加，但是梁破壞時箍筋尚未屈服。這是因為斜壓破壞模式下，混凝土承載貢獻大，箍筋未承受較大的拉力，而當接近破壞荷載后，梁截面發生應力重分布，主要承載部位由混凝土轉向箍筋，使得箍筋突然承受過大的拉力，因此，應變迅速增長。但由于混凝土已經承受了大部分荷載，梁破壞前的剩余荷載不足以使箍筋的總應變達到其屈服應變。

梁S4、S7、D3（呈現剪壓破壞）箍筋應變在臨界斜裂縫形成前增長緩慢。這是因為臨界斜裂縫形成前，相比于斜壓破壞，箍筋雖承擔了更大的應力，但大部分的荷載依舊由剪壓區未開裂的混凝土承擔。直至臨界斜裂縫形成，截面發生應力重分布，梁內與臨界斜裂縫相交的箍筋開始工作，應變迅速增長，直至箍筋屈服。

梁S9、S10、D6（呈現非典型剪壓破壞）開裂后箍筋應變一直保持較大的增長速率，并迅速達到屈服應變。這是因為，非典型剪壓破壞模式下，梁開裂后迅速形成臨界斜裂縫。箍筋承擔荷載比例很大，因而箍筋應變始終保持著持續增長的狀態。臨界斜裂縫形成后，箍筋很快屈服，試驗梁宣告破壞，破壞荷載與開裂荷載較為相近。

3.2 縱筋筋材影響承載分析

圖4為相同縱筋配筋面積情況下不同剪跨比時梁的受剪承載力與縱筋筋材種類的關系圖。

由圖4可知，SFCB混凝土梁受剪承載力整體低于鋼筋混凝土梁，SFCB筋材橫向剪切強度低于鋼筋，作為縱筋受剪時發揮的銷栓力小于鋼筋。由表2、表3可知，SFCB筋材彈性模量小于鋼筋，進而導致梁體對斜裂縫的抑制作用較弱，減小了斜裂縫間的咬合力（圖7所示的兩種梁的斜裂縫寬度圖和圖12所示的鋼筋混凝土梁和SFCB混凝土梁的裂縫分布圖可證），因此，SFCB梁受剪承載力相較于鋼筋梁會有所降低。

3.3 縱筋應變

圖5為不同剪跨比下試件梁的荷載縱筋應變曲線，所測縱筋應變均來自與臨界斜裂縫相交的剪跨段縱筋。由圖5可知，剛開始加載時，縱筋應變均增長緩慢，混凝土開裂后，發生應力重分布，縱筋應變增長速率有所增加。試驗中剪跨比較大的梁縱筋應變發展速度較剪跨比小的梁更為迅速。

同時，對比圖5中不同縱筋筋材試件梁可以發現，鋼筋試件梁剪跨段最終的縱筋應變均較小，未達到屈服應變，剪跨段縱筋均未屈服，而相同剪跨比下的SFCB梁縱筋應變增長速率大于鋼筋梁縱筋應變。這是由于SFCB彈性模量小于鋼筋，承受荷載后，表現出了更大的應變變形，試驗所得應變數據也證實了這一點。所選SFCB梁中，梁S1、S8縱筋最終未屈服，梁S2、S10在箍筋屈服后縱筋也達到屈服。

3.4 剪跨比影響承載分析

圖6為不同縱筋筋材與配筋情況下梁的受剪承載力與剪跨比關系曲線。其中，D代表鋼筋混凝土梁試驗組，S-1、S-2和S-3分別代表縱筋為3S10B85、3S10B35和2S10B17的SFCB混凝土梁試件組。

由圖6可知，試件梁受剪承載力隨著剪跨比的增大整體上呈減小趨勢。這是因為，隨著剪跨比的增大，梁的破壞形態首先由以混凝土受壓為主的斜壓破壞形態轉為由頂部受壓區和斜裂縫骨料咬合控制的剪壓破壞形態，最后變為以混凝土抗拉強度控制為主的非典型剪壓破壞，混凝土對承載力的貢獻隨之變弱，梁承載力下降。

當1.0≤λ≤2.5時，剪跨比對受剪承載力影響較為明顯，承載力隨剪跨比增大而減小，而當λ<1.0及λ>2.5時，剪跨比對受剪承載力影響較小。這是因為，剪跨比過大時，拉桿拱機理起主要作用，受剪承載力受剪跨比的影響不大。而剪跨比過小時，梁破壞形態則主要為以腹部混凝土受壓控制為主的斜壓破壞，此時對承載力貢獻較大的是混凝土強度，剪跨比對受剪承載力的影響也不大。故剪跨比過大或者過小時，承載力受剪跨比的影響較小。

從圖6還可以看出，SFCB筋混凝土梁的縱筋配筋率越大，受剪承載力越高（S-1>S-2>S-3）。同時還可得到與圖4相同的結論：SFCB筋混凝土梁的受剪承載力比鋼筋混凝土梁低。

3.5 斜裂縫寬度規律

圖7為試件S9、S10、D5、D6的荷載最大斜裂縫寬度曲線。圖中，各試件梁分別在a、b、c、d點箍筋屈服。

由圖7可知，試件梁剛開裂時，斜裂縫增長均較緩慢。隨著施加荷載的增大，尤其是箍筋屈服后，斜裂縫寬度增長速度加快。SFCB試件梁裂縫整體比鋼筋試件梁裂縫發展迅速，產生的裂縫較鋼筋試件梁更為寬大。由此可見，SFCB作為受拉縱筋時，對混凝土梁裂縫寬度的約束力不及鋼筋。這是因為，相對鋼筋，SFCB筋材彈性模量小，作為縱筋時，對斜裂縫開展寬度的抑制作用較弱。

4 SFCB混凝土梁受剪承載力計算方法

4.1 桁架拱模型

試件梁受剪時，梁內縱筋、箍筋以及混凝土部分互相約束與平衡，構成了完整的受剪承載體系，因此，建立能夠全面反映承載系統中各部分工作方式的受剪模型，是分析梁受剪承載力的前提。學者們通過理論推導與試驗驗證，提出多種可用于分析梁受剪過程的模型。其中，桁架拱模型為Ichinose[15]結合歐洲與加拿大規范，建立起的較為完善的混凝土梁受剪承載模型，筆者基于該模型探究試件梁各部分承載工作方式，并推導SFCB混凝土梁的受剪承載力公式。

圖8為試件梁桁架拱模型示意圖，圖中Vc為上部混凝土所受剪力，Vsb為箍筋拉力，Vd為縱筋銷栓力，Vu為支座處荷載產生的剪力。為簡化計算，假設所有斜裂縫傾角均為φ。梁受剪時，上部縱筋與上部受壓混凝土共同組成受壓上弦桿，下部縱筋成為受拉下弦桿，梁腹部混凝土與箍筋分別成為受壓與受拉腹桿。集中點加載時，腹部混凝土基本呈拱狀，將荷載由加載點傳遞至支座。

4.2 模型受力分析

4.2.1 桁架拉桿

由于SFCB筋比鋼筋彈性模量低，對梁裂縫開展的約束能力低，從而使得混凝土拱體頂部產生不同的剪壓區高度。試驗中，SFCB梁斜裂縫和彎曲裂縫的平均延伸長度比其他參數相同的鋼筋混凝土梁的長度長。因此，其剪壓區高度較小（見圖12兩種縱筋梁剪壓區高度的對比）。經過對試件剪壓區高度實測數據的統計，SFCB梁與鋼筋梁剪壓區高度xc的大小分別約為0.28h0與0.35h0。

4.3 縱筋銷栓力

關于銷栓力Vd，規范[17]和有關文獻尚未有明確的計算公式，筆者結合試驗數據分析銷栓力的計算方法。

當混凝土梁受剪時，其受拉縱筋所起的作用類似于螺栓受力。但是由于縱筋較細長，一般不會發生純剪切破壞（圖13（b）為文獻[18]中的FRP筋純剪切破壞試驗照片），筋材無法完全發揮抗剪強度，而是發生介于彎曲和剪切之間的破壞狀態（圖13（a）、（c））。

假定筋材發生理想的純剪破壞（圖13（d）），則其銷栓力可按式（8）計算。

如圖13（a）所示，梁在發生斜截面受剪破壞時，縱筋不可避免存在彎曲變形。由于箍筋的約束作用，假定縱筋發生純彎曲的兩個彎曲點位于與箍筋相交處（如圖14所示的A、B兩點），忽略其他部位的彎曲變形，根據虛功原理，外力虛功（剪力V在虛位移Δ上產生的虛功）等于內力虛功（筋材本身的彎曲塑性鉸在轉角上所作的虛功），因此有

4.5 銷栓折減系數k的取值

基于表5試驗數據與式（14），反算得到所有試件梁的受剪部分實際貢獻銷栓力Vdt，并根據其與筋材受剪承載力Asfv的關系對系數k進行回歸求解。

圖15為各試件梁Vd1與Asfv構成的散點圖，圖中線段斜率即表示縱筋銷栓力與混凝土梁筋材本身受剪承載力的關系，即銷栓折減系數k。由圖15可知，混凝土梁的k值取為0.15較為合適。

4.6 斜裂縫傾角φ的取值

如前所述，φ可視為試件梁斜裂縫平均傾角。由式（1）可知，斜裂縫傾角越大，與斜裂縫相交的箍筋數量越少，箍筋拉力總和越小，故斜裂縫角度φ對梁的斜截面受剪承載力影響顯著。

圖16為SFCB試件梁S8與鋼筋試件梁D4（所述兩根梁僅縱筋筋材不同）全梁裂縫對比圖，圖中藍色虛線為兩根梁的斜裂縫走向。由圖16可以看出，SFCB試件梁斜裂縫與構件縱軸的夾角略大于鋼筋混凝土梁。造成這種現象的原因是，SFCB筋彈性模量低于鋼筋，在相同的荷載增量下，它對斜裂縫開展的約束小于縱向鋼筋的約束作用，影響了混凝土主拉應力的方向，進而影響了斜裂縫的走向。

變角桁架拱模型中只限制了受剪梁斜裂縫傾角的上限值為45°，并未給出斜裂縫傾角具體的求解方法[19]。根據文獻[20]，縱筋銷栓力約束了斜裂縫的開展，兩者之間的關系為

基于試驗測得的縱筋應變數據以及計算得到的縱筋銷栓力，在變角桁架拱理論限制的傾角范圍內，計算得到SFCB與鋼筋梁斜裂縫傾角均值分別為45°與40°。表7為所有試件梁斜裂縫傾角量測統計結果，由表7可知，式（17）計算所得傾角值與試驗中梁的傾角大致相符。

4.7 公式驗證

將式（14）計算結果與試驗值同列于表8。由表8可知，當梁滿足1.0<λ<2.5時，式（14）的計算結果在整體略小于試驗結果的基礎上吻合較好，且基本反映了剪跨比對承載力的影響。因為此時梁多發生剪壓破壞，傳力機理明確，計算精度高。而當λ≤1.0時，式（14）計算結果則偏于保守，因為式（14）是在正常的剪壓破壞基礎上進行推導的，而剪跨比較小時，試件梁多發生斜壓破壞，承載力高于正常的剪壓破壞。而當λ≥2.5時，試件梁多發生非典型剪壓破壞，受剪承載力低于正常的剪壓破壞梁，破壞十分突然，因此，大剪跨比時理論結果比試驗值稍大。

由此可見，式（14）用于剪跨比適中的SFCB及鋼筋混凝土梁的受剪承載力計算時具備較高的安全性與適用性，可為后續的SFCB混凝土梁研究和應用提供一定的參考依據。

5 結論

基于SFCB筋和鋼筋作為縱筋的混凝土梁受剪承載力對比試驗，得出以下結論：

1）SFCB混凝土梁受剪承載力整體低于鋼筋混凝土梁。

2）配箍率適中的SFCB筋混凝土梁受剪破壞時有3種破壞模式：剪跨比較小（λ≤1.0）時為斜壓破壞，剪跨比適中（1.0<λ<2.5）時為剪壓破壞，剪跨比較大（λ≥2.5）時為非典型剪壓破壞。

3）SFCB混凝土梁受剪承載力隨著剪跨比的增大整體呈減小趨勢。當λ<1.0和λ>2.5時，剪跨比對受剪承載力影響較小，而當1.0≤λ≤2.5時，剪跨比對受剪承載力的影響則較為明顯。

4）SFCB筋混凝土梁受剪承載力隨著縱筋配筋率的增大而增大，多數試件梁破壞時，受拉縱筋均未屈服。

5）與鋼筋混凝土梁相比，SFCB混凝土梁承受荷載后會產生更寬更長的斜裂縫且裂縫發展速度整體快于鋼筋混凝土梁，由此可知，SFCB混凝土梁受剪時所展現的斜截面抗裂性不及鋼筋混凝土梁。

6）基于桁架拱模型，推導了混凝土梁受剪承載計算公式，計算公式對剪跨比適中的SFCB混凝土梁受剪承載計算具有較高的安全性與適用性。

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（編輯 王秀玲）