BFRP筋鋼纖維部分增強混凝土梁延性性能研究

陳升平 李航宇 張建波 沈偉 董輝

[摘 要]以不同鋼纖維體積率（0，0.5%，1%）和受壓區的不同鋼纖維混凝土層厚度（180，300）為試驗變量，進行4根BFRP筋鋼纖維混凝土梁和1根CFRP筋鋼纖維混凝土梁的受彎性能試驗。通過分析其破壞特征及破壞機理，研究了鋼纖維體積率和受壓區鋼纖維混凝土層的厚度對其延性性能的提升效果。結果表明：添加鋼纖維會顯著提高梁的延性系數，較未摻加鋼纖維的混凝土梁其延性系數的提高幅度約可達7%～42%；受壓區鋼纖維混凝土層的厚度對梁的延性系數也有一定的影響，隨著混凝土層厚度的增加，其延性系數約可提高30%；CFRP筋對梁的增強增韌效果優于BFRP筋。

[關鍵詞]FRP筋；鋼纖維；受彎性能；延性性能

[中圖分類號]TU312[文獻標識碼]A

傳統的鋼筋混凝土梁開裂時存在裂縫寬度大、破壞突然、延性較差等缺點，這種突然的破壞對社會經濟生產會造成不可估量的損失^[1-2]。為此，研究一種既能提高梁的受彎性能，又能提高梁延性的材料尤為關鍵。纖維增強復合材料（Fiber Reinforced Plastic，FRP）是往基體材料中增加一定量的纖維而形成的高性能新型材料，用此制作的FRP筋相比鋼筋具有高韌性，抗拉性能好等特點^[3-4]。但由于FRP筋彈性模量低，應力應變關系呈線性^[5]，以及與普通混凝土澆筑裂縫開裂大，延性較低，用FRP筋替代鋼筋，具有其自身的局限性^[6]。往梁中加入鋼纖維，可以高效利用FRP筋對混凝土的增強增韌作用，增加梁的受彎性能，提高梁的開裂荷載與延性^[7]。

國內大量研究圍繞FRP筋鋼纖維混凝土這種材料進行。吳濤等^[8]完成了9根GFRP筋鋼纖維混凝土梁的受彎性能試驗，以各國規范對試驗梁進行開裂彎矩、承載力、撓度的評估。結果表明：摻入鋼纖維能有效抑制梁裂縫寬度的延伸，并提高了梁的極限荷載，從而改善了梁的延性性能。徐可等^[9]研究了GFRP筋與普通鋼筋混合配筋對鋼纖維增強混凝土梁受彎性能的影響。結果表明：混合配筋模式下，加入鋼纖維的GFRP筋混凝土梁，筋材的抗拉作用得到充分發揮，進一步提高了梁的承載力以及延性。

已有研究表明，部分截面摻加鋼纖維的混凝土梁的增強增韌效果可以達到全截面摻加鋼纖維的混凝土梁的增強增韌效果^[10]。朱海堂等^[11]完成了12根BFRP筋鋼纖維高強混凝土梁的四點彎曲試驗，研究了鋼纖維摻加高度和含量與梁延性之間的關系。結果表明：鋼纖維能很好地抑制初裂縫后梁剛度的減少，提高梁的延性性能。陳信展等^[12]研究了7根BFRP筋鋼纖維混凝土梁，分析鋼纖維體積率與鋼纖維摻加高度對梁受彎破壞程度之間的關系。結果表明：摻加了鋼纖維的混凝土梁，其開裂荷載和極限荷載都有一定程度的提升，鋼纖維的存在抑制了裂縫的發展，有效地提高梁的延性。

上述研究表明，摻加鋼纖維可以有效提高梁的延性性能。但目前的研究主要集中在全截面摻加鋼纖維和受拉區部分截面摻加鋼纖維這一研究點上，關于受壓區的研究還較少。在梁截面部分地加入鋼纖維不僅可以達到全截面摻加鋼纖維的效果，而且能有效節約成本，減少鋼纖維的損耗。故本文在上述研究的基礎上，以鋼纖維摻量和受壓區鋼纖維混凝土層厚度為試驗的主要變量，研究其對鋼纖維混凝土梁延性性能的影響。

1 試驗概況

本次試驗共設計4根BFRP筋混凝土梁和1根CFRP筋混凝土梁作為對比梁。試驗梁的制作有1根BFRP筋混凝土梁（B1）、1根鋼纖維摻量為0.5%的BFRP筋部分鋼纖維混凝土梁（B2）、2根鋼纖維摻量為1%的BFRP筋部分鋼纖維混凝土梁（B3-1，B3-2）、1根鋼纖維摻量為1%的CFRP筋鋼纖維混凝土梁（B4）。試驗梁具體截面尺寸如圖1所示。

本次試驗選用的筋材為BFRP筋和CFRP筋，這兩種筋材的力學性能見表1。

本次實驗所選用的水泥為普通硅酸鹽水泥（P.O42.5），Ⅰ級粉煤灰，適量礦物摻合料，粗骨料粒徑5～20 mm，級配Ⅱ區中砂，適量高效減水劑。試件配合比如表2所示。

2 BFRP筋部分鋼纖維混凝土梁受彎試驗

本次試驗采用逐級加載的方式，初裂縫開裂前以10 kN的力逐級加載，開裂后以15 kN的力進行逐級加載，加載設備見圖2。主要收集的數據有：1）跨中撓度；2）頂部混凝土應變；3）初裂荷載、極限荷載；4）梁裂縫寬度。本次實驗在梁跨中及其梁端各1/3處設置位移計，同時在梁支座上端也設置位移計，用于測試梁支座位移。

根據《混凝結構試驗方法標準》GB/T50152-2012^[13]，加載方式為三分點加載，加載詳細過程如圖2、圖3所示。

2.1 試驗結果

試驗得到不同纖維摻量和不同纖維高度的部分鋼纖維混凝土梁受彎試驗結果如表3所示。

從表3可以看出：

1）鋼纖維體積率會顯著影響梁的極限承載力。鋼纖維體積率越大，梁極限承載力的提升越多; 2）鋼纖維在受壓區混凝土的不同厚度分布也會對梁的極限承載力存在一定的影響，經試驗結果可以看出鋼纖維摻入率越大，對混凝土梁的極限壓應變提升越多; 3）鋼纖維的摻入會提高梁的開裂荷載。摻入鋼纖維的混凝土梁的開裂荷載要高于未摻鋼纖維的混凝土梁。

2.2 梁破壞形態與破壞機理分析

由圖4可以看出，梁的破壞為受壓區混凝土的壓碎破壞。試驗梁在預加載階段，其并無明顯變化。隨著荷載緩慢增長，到達開裂荷載時，梁表面下部邊緣開始出現細小的裂紋。隨著荷載的增加，裂縫沿著分配梁兩端的支座逐漸延伸至梁頂，此階段維持的一段時間內可以聽見“滋滋”的聲響，這是錯亂分布的鋼纖維在混凝土內部逐漸被拔出的聲音，發展過程中裂縫繼續延伸、變寬，且有細碎的混凝土塊脫落。在即將到達峰值應力時，梁頂部逐漸開裂，裂縫逐漸向梁中間延伸，破壞特征明顯，并表現出一定的延性。最后伴隨“轟”的巨響，梁頂部混凝土被壓碎，梁宣告破壞。由表3可知，鋼纖維摻入率越高，梁的極限承載力越大，從而使得梁的破壞程度有所減輕，延性越好。而作為對照組的BFRP筋混凝土梁（B1），在到達開裂荷載前的現象與鋼纖維混凝土梁相似，但到達峰值應力后，其裂縫延伸速度快，且裂縫寬度大，達到極限荷載時，梁頂部破壞突然且迅速，為脆性破壞。

2.3 跨中撓度分析

圖5為不同鋼纖維混凝土梁的跨中撓度。在初裂縫出現以前，梁的跨中撓度增長緩慢；在裂縫出現以后，跨中撓度有了明顯變化。在相同的荷載條件下，FRP筋混凝土梁隨著鋼纖維含量的增加，撓度隨之變小，呈現出一定的延性。添加了鋼纖維的FRP筋混凝土梁（B2～B4）較未添加鋼纖維的混凝土梁（B1），其跨中撓度要小25%左右。隨著荷載的增加，鋼纖維含量越高，其跨中撓度逐漸減小。影響其跨中撓度的主要因素為鋼纖維含量，而鋼纖維混凝土厚度的影響較小。

3 BFRP筋部分鋼纖維混凝土梁延性計算方法

添加了鋼纖維的BFRP筋混凝土梁，其極限壓應變得到提升，破壞前，裂縫延伸速度較慢，有明顯的破壞征兆。由于BFRP筋從受力-破壞的過程中始終未屈服，故傳統延性指標的計算方法誤差較大^[14]。

根據延性的評價標準，Naaman等^[15]提出了基于能量的延性系數：

式中，μE為能量延性系數；Et為加載全過程所消耗的總能量；Ee為加載過程中消耗的彈性能。

能量延性系數與傳統的延性系數相比，適用性較廣，可以用于無明顯屈服點的材料體系中，反映了構件塑性變形能力。然而，用該方法評價FRP筋混凝土構件的延性仍會得到延性不足的結論^[16]。本文試驗結果表明，鋼纖維的摻入使得梁的荷載-撓度曲線更加光滑，用該方法所得到的延性結果并不理想。

祁皚等^[16]考慮了FRP筋高強度的特點，選用綜合延性系數，考慮構件變形能力以及承載能力。該方法認為FRP筋混凝土梁在使用階段，混凝土受壓區邊緣應變取εc=0.001，所用評價延性的方法如下：

式中，φu、Mu分別為極限曲率和極限彎矩；φ0.001、M0.001分別為混凝土梁受壓邊緣應變時的曲率和彎矩。

將FRP筋混凝土構件的荷載-撓度曲線或荷載-曲率曲線簡化為直線^[16]，根據本文的試驗結果，由于鋼纖維與混凝土的增強增韌作用，使得構件的荷載-撓度曲線更加圓滑。因此，若使用綜合延性系數所反映的延性結果仍有一定的誤差。

美國ACI440.1R-15規范^[17]采用的計算方法考慮構件的正常使用極限狀態，計算方法為構件極限狀態所需要的能量與構件正常使用狀態所需要的能量的比值，計算方法較為簡便，適用性較廣，故本次試驗的延性計算方法采用其規范建議的計算方法，算法如下：

式中，Eu為極限狀態下構件所消耗的能量；Escr為正常使用狀態下構件所消耗的能量；μ為美國規范ACI提出的延性系數。

根據文獻[14]的建議，正常使用狀態下試驗梁跨中撓度取為跨度的1/200。經計算，本次試驗的延性系數計算結果如表4所示。

由表4可以看出，隨著鋼纖維摻量的增加，構件的延性系數也有所提高。對于部分截面摻加鋼纖維的BFRP筋混凝土梁（B2，B3-1）相比未摻鋼纖維的BFRP筋混凝土梁（B1），其延性系數約可提高7%～42%；對于全截面摻加鋼纖維的FRP筋混凝土梁（B3-2，B4）的延性系數，其提高幅度逐漸增加，相比部分增強混凝土梁（B2，B3-1），其延性系數約可提高30%，分析其原因是因為全截面鋼纖維的摻入，使梁的開裂荷載以及極限承載力得到提高，充分發揮了FRP筋的增強增韌作用，從而延緩了梁的破壞。從梁（B3-2）和梁（B4）可以看出，CFRP筋鋼纖維混凝土梁的增強增韌效果要高于BFRP筋鋼纖維混凝土梁，對于延性控制要求嚴格的工程項目建議采用CFRP筋鋼纖維混凝土梁。

4 結論

1） 分析研究了梁的的破壞過程與破壞機理，鋼纖維的摻入可以有效提高梁的開裂荷載、極限承載力與極限壓應變，且其提升幅度會隨著鋼纖維體積率的增加而增加。

2）通過美國ACI規范提出的延性系數指標來綜合評價FRP筋鋼纖維混凝土梁的延性性能。對于部分截面摻加鋼纖維的混凝土梁，可以有效提高梁的延性性能，并且隨著鋼纖維體積率的提高而逐漸增加。對于全截面摻加鋼纖維的混凝土梁，其延性性能相比部分增強混凝土梁也有所提高，約可提高30%。但鋼纖維混凝土層厚度對梁跨中撓度的影響較小。

3）全截面摻加鋼纖維的FRP筋混凝土梁，筋材選用CFRP筋的增強增韌效果要高于BFRP筋，對于延性性能控制要求嚴格的工程項目，筋材建議采用CFRP筋。

[ 參 考 文 獻 ]

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Ductility Performance of Partial Steel Fiber Reinforced

Concrete Beams with BFRP Bars

CHEN Shengping， LI Hangyu， ZHANG Jianbo， SHEN Wei， DONG Hui

（School of Civil Engin.，Architecture and Environment，Hubei Univ.of Tech.，Wuhan 430068，China）

Abstract：The flexural behaviour of 4 BFRP reinforced steel fiber concrete beams and 1 CFRP reinforced steel fiber concrete beam with different steel fiber volume fraction（0， 0.5%， 1%） and different thickness of steel fiber concrete（180， 300） in the compression zone was tested in this paper. The effect of volume fraction of steel fiber and thickness of steel fiber concrete in compression zone on its ductility was evaluated by analyzing its failure characteristics and failure mechanisms. The results show that the ductility coefficient of the beams can be significantly improved by adding steel fiber， and the thickness of steel fiber in the compression zone will influence the ductility coefficient of the beams. Besides， the strengthening and toughening effect of CFRP bars is better than that of BFRP bars.

Keywords：FRP bars；Steel fiber；Bending behavior；Ductility performance

[責任編校：裴 琴]