玄武岩纤维布加固混凝土梁的抗弯疲劳性能试验

杨勇新，陈绪军，2，邢建英，汪健根，胡玲

（1.华侨大学土木工程学院，福建 泉州 362021；2.九江学院土木工程与城市建设学院，江西 九江 332005）

玄武岩纤维布加固混凝土梁的抗弯疲劳性能试验

杨勇新1，陈绪军1，2，邢建英1，汪健根1，胡玲1

（1.华侨大学土木工程学院，福建 泉州 362021；2.九江学院土木工程与城市建设学院，江西 九江 332005）

通过2根玄武岩纤维布加固的钢筋混凝土梁和1根普通钢筋混凝土梁的弯曲疲劳性能试验研究，分析玄武岩纤维布对加固梁抗弯疲劳性能的影响.试验结果表明，采用玄武岩纤维布进行加固后，梁的抗疲劳性能得到极大改善；粘贴1层和2层玄武岩纤维布后，钢筋混凝土梁的疲劳寿命分别提高了66％和235％，50万次时，其疲劳变形分别减小了26.04％和35.40％.在纤维布与混凝土粘结可靠的情况下，若梁的配筋率不超过2.5％，加固梁发生钢筋疲劳断裂破坏的可能性极大.

玄武岩纤维增强复合材料；钢筋混凝土梁；疲劳性能；抗弯；断裂破坏

目前，国内外关于纤维布加固钢筋混凝土结构的试验和理论研究，主要集中在纤维布加固混凝土梁的静力性能方面.有关纤维布加固钢筋混凝土梁的疲劳性能研究较少，并且主要是针对碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维开展的［1-3］.关于玄武岩纤维布加固混凝土结构的试验研究几乎是空白的［4-6］，更未见玄武岩纤维布加固钢筋混凝土梁的疲劳性能试验的相关报道.玄武岩纤维增强复合材料（BFRP），是我国自主开发的一种无机能自然降解的新型环保复合材料，它具有良好的热绝缘性、隔声性、抗腐蚀性、无毒性、不燃性和力学性能［7-8］.研究表明［8］，由连续玄武岩纤维制成的细棒，在长期（超过9a）的交变载荷作用下几乎没有疲劳破坏的痕迹，可见其抗疲劳性能相当优越.鉴于此，本文采用玄武岩纤维布加固钢筋混凝土梁进行疲劳试验，探讨玄武岩纤维布对加固梁疲劳性能的影响.

1 试验部分

1.1 试件设计

试验梁均为矩形截面简支梁，共3根，其中未加固梁1根，加固梁2根.每根梁的设计尺寸（b×h×L）均为100mm×200mm×1 300mm，计算跨度1 200mm，剪跨为200mm.混凝土设计强度等级为C40，实测立方体抗压强度56.52MPa.梁中受拉钢筋为（HPB235）2Ф8mm，设计配筋率为0.612％，架立筋为2Ф8mm，箍筋为φ8@100/200mm，钢筋实测屈服强度为507.45MPa，极限强度为597.00MPa，弹性模量为206.67GPa.

1.2 加固方案

加固梁的纵向纤维布均粘贴在梁的受拉面，宽为80mm；U型箍的宽为120mm、长为450mm，设置在纵向纤维布的两端，各一道.纤维布的实测力学性能指标：计算厚度tf为0.111mm，抗拉强度ff为1 859MPa，弹性模量Ef为97.8GPa，极限伸长率为1.9％.梁编号、具体加固方案，如表1所示.表1中：L为纤维布长度；fc为混凝土强度.

1.3 加载制度与测量内容

试验梁采用工字型分配梁进行两点对称加载，加载装置如图1所示，加载制度如表2所示.疲劳荷载上限（Pmax）和疲劳荷载下限（Pmin）按照GB 50010-2002《混凝土结构设计规范》（以下简称《规范》）及静载试验梁极限荷载Pu值［4］确定.试验加载程序包括静载试验、疲劳试验两个阶段.

表1 试验梁加固方案Tab.1 Strengthening scheme of beams

图1 加载装置Fig.1 Loading device

1.3.1 静载试验阶段 在正式试验前先预加载，预加载值不超试验梁疲劳荷载上限的30％，以消除加载系统各部分的间隙，并检查加载系统及数据采集系统是否正常.预载后，进行静载加载，量测钢筋、纤维布、混凝土的应变和梁的挠度，相关测点布置如图2所示.

1.3.2 疲劳试验阶段 初次静载后，将加载频率调至5Hz；然后，将荷载加至疲劳荷载下限，调节脉动量增按钮，将荷载加至疲劳荷载上限，使梁在频率5Hz的正弦波下进行疲劳试验.表2为具体加载制度.当疲劳循环次数n达到预定次数时，停机卸载至零，观测裂缝，量测钢筋、纤维布、混凝土的残余应变和梁的残余挠度；然后，再加静载至疲劳荷载上限，加载期间量测钢筋、纤维布、混凝土的应变和梁的挠度.当疲劳循环次数n达到200万次而梁还未破坏时，改变疲劳荷载上限值，重复以上试验步骤.

表2 疲劳试验加载制度Tab.2 Loading system of fatigue test

图2 梁测点布置Fig.2 Test positions of beams

2 试验现象

试验梁初次静力试验荷载加至疲劳荷载上限60kN后，最大裂缝均出现在梁加载点附近；疲劳荷载循环2万次后，各梁裂缝宽度均剧增，且新出现裂缝明显有所增加.10万次（未加固梁30万次）以后，裂缝产生，发展趋于稳定，新裂缝基本上不再产生，加固梁的裂缝与静载试验加固梁［4］一样，呈现“根须状”，且数量多，间距密，宽度小.

当疲劳荷载循环在78.335万次时，未加固梁加载点下的一纵筋突然断裂，梁破坏前没有任何明显征兆；加固梁与未加固梁一样，破坏亦无明显征兆而突然发生，发出巨大爆裂声，且纵向纤维布均剥离、断裂.其中：PB1梁两纵筋在跨中处突然断裂；PB2梁在加载点内侧处两纵筋突然断裂.

3 试验结果及分析

3.1 混凝土应变分析

试验梁在特定循环次数后静载下测得的混凝土受压区应变，如图3所示.由图3（a）～图3（c）可见，随着疲劳荷载循环次数的增加，试验梁混凝土应变亦增加；无论是加固梁还是非加固梁，其混凝土应变在疲劳荷载作用后均呈线性分布.这说明初次静载后，试验梁的损伤趋于缓和.

由试验结果可知，疲劳荷载循环50万次后，在60kN荷载作用下，粘贴1层玄武岩纤维布的加固梁混凝土压应变比未加固梁减小了22.6％，粘贴2层玄武岩纤维布的加固梁混凝土压应变比未加固梁减小了30.6％.说明，粘贴玄武岩纤维布能够很好地抑制混凝土裂缝的开展，改善混凝土的疲劳性能.

从50万次时各梁混凝土应变曲线的斜率可知，在相同次数的疲劳荷载作用后，未加固梁混凝土损伤最大，而加固梁混凝土损伤则随纤维布粘贴层数的增加而减小.这表明，粘贴玄武岩纤维布对延缓混凝土的损伤有积极的作用.

图3 特定循环次数时荷载-混凝土应变曲线Fig.3 Load-concrete strain curves for specific cycles

3.2 钢筋应变分析

钢筋应变随疲劳荷载循环次数的变化关系，如图4所示.由图4（a）～（b）可知，加固梁钢筋应变随疲劳荷载循环次数的增加而增长.试验开始时，纵筋应变曲线变化较显著，残余应变发展很快；随着疲劳荷载重循环次数的增加，残余应变趋于稳定，曲线靠得较近且接近平行.PB1（PB2）梁在疲劳荷载作用2万次之后、95（250）万次之前，钢筋应变发展缓慢，而200万次之后，其应变剧增，这表明疲劳荷载上限的提高，对钢筋疲劳性能的影响十分显著.

从PB1，PB2梁的5万次和95万次的应变曲线可知，经过相同次数疲劳荷载作用后，粘贴2层玄武岩纤维布的加固梁钢筋应变，比粘贴1层玄武岩纤维布的加固梁钢筋应变平均减少了5.6％.由此可见，要达到相同的钢筋应变，粘贴2层玄武岩纤维布的加固梁能够承受的疲劳荷载次数大于粘贴1层玄武岩纤维布的加固梁能够承受的疲劳荷载次数.

图4 特定循环次数时荷载-钢筋应变曲线Fig.4 Load-steel bar strain curves for specific cycles

3.3 梁挠度分析

不同疲劳次数下试验梁的荷载-挠度曲线表明，在疲劳初期，试件梁的跨中挠度（f）有较大的增加，曲线变化较显著，残余挠度发展很快.随着荷载循环次数的增加，加固梁的挠度较未加固梁更趋于稳定，残余挠度增加非常缓慢，曲线基本上为一簇平行线.

表明，加固梁的耗能效果更理想，从而减缓了内部损伤的积累.这是因为加固梁的弹性性能更好，其较未加固梁裂缝多而密，外力对其做功所积蓄的变形能以卸载时可恢复的弹性应变能耗散，以及被更多的裂缝和微裂纹“吸收”，并转化为表面能而释放出来.

相同循环次数下各梁的荷载-跨中挠度曲线比较，如图5所示.从图5可以看出，经过相同次数的疲劳荷载作用后，未加固梁的挠度最大，粘贴1层玄武岩纤维布的加固梁的挠度大于粘贴2层玄武岩纤维布的加固梁的挠度，并且随着荷载的增加，未加固梁挠度的增长速率大于加固梁挠度的增长速率.

在经过疲劳荷载循环50万次，以及60kN的荷载作用下，PB1，PB2梁的挠度比P0梁挠度分别减小了26.04％，35.40％.由此可见，粘贴2层玄武岩纤维布比粘贴1层玄武岩纤维布更能改善钢筋混凝土梁的抗疲劳性能.因此，对工程上变形有很高要求且承受动载的结构来说，粘贴纤维布加固可以显著减小结构的变形.

图5 特定循环次数时梁荷载-跨中挠度曲线Fig.5 Load-mid span deflection curves for specific cycles

试验梁经过疲劳荷载循环50万次的试验结果，如表3所示.表3中：f为挠度；N为疲劳寿命.从表3可知，粘贴玄武岩纤维布能极大地提高钢筋混凝土梁的疲劳寿命，因此，用玄武岩纤维布加固钢筋混凝土梁完全能满足正常使用状态下结构耐疲劳性能要求.由于玄武岩纤维布重量轻、耐腐蚀、抗疲劳等良好的物理力学性能，使得其用于承受动荷载的结构加固具有很大优势.

表3 疲劳荷载循环50万次的试验结果Tab.3 Results for 500 000 fatigue loading cycles

4 试验梁疲劳寿命分析

对于玄武岩纤维布加固的钢筋混凝土梁，在配筋率相同、纤维布粘结可靠的情况下，若将纤维布换算成钢筋，则配筋率将增大，钢筋的疲劳应力将减小，寿命也必然延长.从表3可以看出，粘贴玄武岩纤维布对试验梁的疲劳寿命有显著影响.

5 结论

（1）承受疲劳荷载的钢筋混凝土梁采用玄武岩纤维布加固后，其疲劳抗裂性能得到了较大的改善，裂缝与静载加固梁相似，亦呈现“根须状”，数量多，间距密，宽度小.这对于提高腐蚀环境下混凝土结构的疲劳性能具有十分重要的意义.

（2）粘贴1层和2层玄武岩纤维布后，钢筋混凝土梁的疲劳寿命分别提高了66％和235％，在循环加载50万次时，其疲劳变形分别减小了26.04％和35.40％.

（3）粘贴纤维布对改善钢筋混凝土梁的抗疲劳性具有十分重要的意义，采用玄武岩纤维布加固钢筋混凝土梁完全能满足正常使用状态下结构的耐疲劳性能要求.

（4）在纤维布与混凝土粘结可靠的情况下，若梁的配筋率不超过2.5％，加固梁发生钢筋疲劳断裂破坏的可能性极大.

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Study on Fatigue Performance of Reinforced Concrete Beams Strengthened with BFRP Sheet

YAN G Yong-xin1，CHEN Xu-jun1，2，XIN GJian-ying1，WAN GJian-gen1，HU Ling1
（1.College of Civil Engineering，Huaqiao University，Quanzhou 362021，China；2.College of Civil Engineering and Urban Construction，Jiujiang University，Jiujiang 332005，China）

The bending fatigue test on one ordinary reinforced concrete beam and two reinforced concrete beams strengthened with basalt fiber polymer sheets（BFRP）is carried out，and the flexural fatigue performance of the reinforced concrete beams strengthened with BFRP is analyzed.The experimental results show that BFRP improves greatly the anti-fatigue performance of the beam.Pasting one layer or two layers of BFRP，the fatigue life of reinforced concrete beams increases by 66％and 235％；the fatigue deformation decreases by 26.04％and 35.40％for 500 thousand cycles.On condition of reliable bound between BFRP and concrete，if，the fatigue fracture of steel bars will occur greatly possibly for the reinforcement ratio less than 2.5％.

basalt fiber polymer sheets；reinforced concrete beam；fatigue behavior；bending；fracture

TU 377.9+40.2

A

1000-5013（2010）04-0443-05

（责任编辑：钱筠 英文审校：方德平）

2009-07-25

杨勇新（1963-），男，教授级高级工程师，博士后，主要从事结构基本理论及高性能复合材料的研究.E-mail：yangyongxin@tsinghua.org.cn.

国家科技攻关（国际合作）项目（2005DFBA0002）