玄武岩纤维布加固连续梁弯矩重分布特征分析

丁 斌

(温州职业技术学院建筑工程系，浙江温州325035)

玄武岩纤维复合材料(basalt fiber reinforced plastic，BFRP)是由火山喷发形成的惰性玄武岩矿石经物理加工而成的一种新型绿色无机纤维复合材料.玄武岩纤维具有优异的热稳定性、耐高温性、抗拉强度、延性和耐久性.玄武岩纤维通过天然材料物理处理得到，对环境污染小且价格低廉，有望在一些加固工程中成为玻璃纤维甚至碳纤维复合材料的替换材料［1－4］.

混凝土结构加固中经常会遇到纤维复合材料加固连续梁的问题.如能充分了解纤维复合材料加固后连续梁的弯矩重分布特征，并在加固设计中加以应用，就能更合理地评估结构的承载能力，发挥结构构件的潜力，达到节约材料、简化设计的目的［5－8］.通过弯矩调幅系数可对按弹性方法所计算的弯矩值进行适当调整，从而优化结构构件的受力性能.因此，弯矩调幅系数取值的合理性，对于工程设计具有重要的意义［9－11］.文中以混凝土连续梁负弯矩区纤维布绕过柱粘贴的情况为工程背景，进行了4根玄武岩纤维布加固的混凝土T形截面连续梁和1根对比梁的抗弯试验研究.

1 试验

1.1 构件尺寸和配筋

试件包括4根加固梁和1根对比梁，均采用C30混凝土和相同的配筋形式，混凝土立方体抗压强度平均试验值为37.0 MPa.试件尺寸、配筋情况如图1，钢筋、纤维布的材性试验值如表1，2.

图1 试件配筋图(单位:mm)Fig.1 Specimen and arrangement of reinforcement(Unit:mm)

表1 钢筋的力学性能Table 1 Properties of Reinforcement

表2 玄武岩纤维布规格Table 2 Properties of BFRP

1.2 加固方案及加载制度

采用在中支座处两侧板面的有效宽度范围内粘贴玄武岩纤维布［12］.加固梁板面均粘贴一层纤维布，4根加固梁梁底分别粘贴1～4层玄武岩纤维布，加固方案如图2.梁跨内均粘贴U型箍以加强锚固并避免发生剪切破坏.试件编号及加固方式见表3.采用集中力以5kN的步长对梁跨中截面同时加载，直到构件破坏.加载装置及位移计布置如图3.

图2 加固设计示意图(单位:mm)Fig.2 Design of strengthened specimens(Unit:mm)

表3 试件概况Table 3 Details of test specimens

图3 试验装置及位移计布置Fig.3 Test set-up and LVDT arrangement

2 试验结果

2.1 破坏模式

2.1.1 纤维布拉断

B－B1～B－B3破坏过程呈延性破坏特征:跨中纵筋屈服后，梁侧及中支座处板面可见明显裂缝，跨内部分相对中支座的转角明显增加，此后中支座处纵筋屈服、混凝土压坏后形成塑性铰，随后跨中处形成塑性铰，加固梁发生机构破坏.典型破坏形态如图4.

图4 B－0破坏形态Fig.4 Pictures of B －0 at failure

2.1.2 混凝土受压破坏

B－B4破坏时，跨中处梁底纤维布拉断、U型箍和混凝土一起发生剥离、纵筋和箍筋外露.BB4中支座处纵筋屈服后，跨中截面混凝土压坏，纤维布拉裂，为跨中处混凝土发生受压破坏，典型破坏形态如图5.

图5 B－B4破坏形态Fig.5 Pictures of B －B4 at failure

2.2 荷载－挠度曲线

由图6可知，各加固梁从加载初期至中支座截面混凝土开裂前，荷载－挠度曲线基本重合.加固梁中支座截面混凝土开裂至纵筋屈服前，荷载－挠度曲线斜率随着加固量的增加明显增大.跨中截面纵筋屈服后，荷载－挠度曲线有明显的屈服平台.玄武岩纤维布加固梁表现出较好的延性.

图6 各试件荷载－跨中挠度曲线Fig.6 Load-displacement curve at mid-span

2.3 弯矩重分布

各梁控制截面的实测弯矩根据试验数据计算求得.相应的弹性弯矩值采用力法求解.各试件跨中截面和支座截面钢筋屈服时计算得到的弯矩调幅系数如表4.弯矩调幅系数按下式确定:

式中:MT为试验测得的弯矩值;Me为弹性弯矩值.

由表4，5可知，各试件跨中纵筋屈服时，跨中截面和中支座截面弯矩调幅系数分别在0.09～0.19和0.17～0.32之间，中支座纵筋屈服时跨中截面和中支座截面弯矩调幅系数分别在0.09～0.22和0.15～0.38之间.玄武岩纤维布加固梁在受载过程中，跨中截面弯矩重分布程度小于支座截面弯矩重分布程度.各试件跨中和中支座弯矩－荷载关系曲线与弹性值比较如图7，8.

图7 各试件荷载－跨中弯矩曲线Fig.7 Load-displacement curve at mid-span

图8 各试件荷载－中支座弯矩曲线Fig.8 Load-displacement curve at mid-span

表4 跨中纵筋屈服时实测弯矩值和理论弯矩值Table 4 Experimental and theoretical value of moment at mid-span when longitudinal bar is yielding

表5 中支座纵筋屈服时实测弯矩值和理论弯矩值Table 5 Experimental and theoretical value of moment at middle-support when longitudinal bar is yielding

3 结论

对4根玄武岩纤维布加固的T形截面混凝土连续梁和1根对比梁进行了抗弯试验，分析了玄武岩纤维布加固连续梁的弯矩重分布特征和破坏模式，得到以下结论:

1)1～3层玄武岩纤维布加固的连续梁均发生弯曲破坏.跨中纵筋屈服后，中支座处纵筋屈服继而混凝土压坏、形成塑性铰，随后跨中截面纤维布断裂，荷载－挠度曲线具有明显的屈服平台，破坏过程具有明显征兆.发生混凝土受压破坏的加固梁，U型箍、梁底纤维布、混凝土保护层一起发生剥离，纵筋和箍筋外露，脆性破坏特征明显;

2)中支座钢筋屈服前，加固梁的跨中和支座处弯矩实测值与弹性理论值较为接近，梁的弯矩重分布不明显.中支座屈服后，加固梁各控制截面均发生了很明显的弯矩重分布;

3)加固梁跨中纵筋屈服时，跨中截面和中支座截面弯矩调幅系数分别在0.09～0.19和0.15～0.32之间;中支座纵筋屈服时，跨中截面和中支座截面弯矩调幅系数分别在0.09～0.22和0.15～0.38之间.加固梁中支座截面弯矩重分布较跨中截面明显.

References)

［1］Balaguru P，Nanni A，Giancaspro J.FRP composites for reinforced and prestressed concrete structures［M］.Newyork and London:Taylor＆ Francis Group，2009.

［2］欧阳利军，丁斌，陆洲导.玄武岩纤维及其在建筑结构加固中的应用研究进展［J］.玻璃钢/复合材料，2010(3):84－88.Ouyang Lijun，Ding Bin，Lu Zhoudao.Bfrp and its application review in structural strengthening［J］.Fiber Reinforced Plastics/Composites，2010(3):84 －88.(in Chinese)

［3］Sim J，Park C，Moon D Y.Characterstics of basalt fiber as a strengthening material for concrete structures［J］.Composites:Part B，2005，36(6 －7):504 －512.

［4］Wei Bin，Cao Hailin，Song Shenhua.Environmental resistance and mechanical performance of basalt and glass fibers［J］.Materials Science and Engineering，2010，527(18－19):4708－4715.

［5］贾益纲，涂序庆.钢筋混凝土连续梁弯矩调幅法的非线性分析方法［J］.四川建筑科学研究，2005，31(2):46－49.Jia Yigang，Tu Xuqing.A non-linear analysis method of moment modulating of continuous RC beams［J］.Building Science Research of Sichuan，2005，31(2):46 －49.(in Chinese)

［6］王文炜，吴文清，李淑琴，等.简支梁转变为连续梁的弯矩调幅试验研究及其简化计算方法［J］.工程力学，2010，27(5):147－152.Wang Wenwei，Wu Wenqing，Li Shuqin，et al.Experimental study and calculation method on moment redistrubution induced by transforming simply supported beams into continuous beams［J］.Engineering Mechanics，2010，27(5):147 －152.(in Chinese)

［7］Zhou W，Zheng W Z.Experimental research on plastic design method and moment redistribution in continuous concrete beams prestressed with unbonded tendons［J］.Magazine of Concrete Research，2010，62(1):51 －64.

［8］El-Refaie S A，Ashour A F，Garrity S W.Sagging and hogging strengthening of continuous reinforced concrete beams using carbon fiber reinforced polymer sheets［J］.ACI Structural Journal，2003，100(4):446 －453.

［9］胡仁重.混凝土框架梁刚度放大系数与弯矩调幅取值研究［D］.江西南昌:南昌大学，2010:1－4.

［10］余志武，周凌宇，罗小勇.钢－部分预应力混凝土连续组合梁内力重分布研究［J］.建筑结构学报，2002，23(6):64－69.Yu Zhiwu，Zhou Lingyu，Luo Xiaoyong.Study on moment redistribution of steel-partially prestressed concrete composite continuous beams［J］.Journal of Building Structures，2002，23(6):64 －69.(in Chinese)

［11］Liu I S，Oehlers D J，Seracino R.Moment redistribution in FRP and steel-plated reinforced concrete beams［J］.Journal of Composites for Construction，2006，10(2):115－124.

［12］中国人民共和国建设部.GB50367－2006混凝土结构加固设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2006.