FFRP加固钢筋混凝土梁的受弯性能

许颀++黄靓

摘要：为研究亚麻纤维增强塑料（FFRP）加固钢筋混凝土梁的受弯性能，在4种自然纤维布和3种厚度FFRP试件拉伸试验研究的基础上，以FFRP层数为参数对3根试验梁进行了四点受弯加载试验，并对试验梁的破坏形态、荷载挠度曲线和极限承载力进行探讨；依据FFRP加固钢筋混凝土梁的最常见破坏模式，对相应破坏模式下的抗弯承载力计算公式进行了推导。结果表明：300 g·m-2雨露麻亚麻布制作成的FFRP拉伸性能稳定；FFRP加固梁的极限承载力和延性与普通钢筋混凝土梁相比都有不同程度的提高；抗弯承载力公式计算值与试验值吻合良好且偏于安全，可为该种加固梁的设计提供依据。

关键词：亚麻纤维增强塑料；加固；受弯性能；钢筋混凝土梁

中图分类号：TU375.1 文献标志码：A

0 引 言

近年来许多学者对纤维增强塑料（FRP）加固混凝土结构开展了较为深入的研究，取得了很多成果[14]。然而传统的人造纤维并不能在绿色可持续使用方面有很好的表现，为满足环境保护需求，发展可再生材料，以植物纤维代替玻璃纤维等人造纤维作为复合材料的增强物具有较好的前景。目前，植物纤维FRP的研究已经越来越受到各国的重视，许多学者进行了相应研究[59]。

文献[10]对亚麻纤维作为复合材料加强纤维的性能进行了分析，提出通过合理的纤维选择与加工处理，亚麻纤维在密度、拉伸强度、断裂伸长及弹性模量等方面具有复合材料应用的潜力。文献[11]进行了真空灌注成型法制作FFRP片材的断裂性能研究，指出FFRP的断裂性能是纯环氧树脂复合物的2倍～4倍，纤维布中纤维的方向以及纤维的体积分数对断裂性能有较大的影响。这些研究主要集中在材性方面，对于其工程应用研究相对较少。文献[12]首次提出将自然纤维增强塑料用于约束混凝土，并进行了一系列FFRP约束混凝土的试验研究，提出了其抗压性能、抗弯性能理论分析模型。

亚麻纤维是人类最早使用的自然纤维之一，是直接从人工培植或野生亚麻中提取的，具有可再生、可降解、自重小、价格低等特点，尽管在力学性能方面FFRP并不及碳纤维增强塑料（CFRP）和玻璃纤维增强塑料（GFRP）等优越，但是通过增加加固体量的方式仍然可以达到一定的效果。在一些非重要的结构或临时结构等特殊场合，这种再生、环保、廉价的材料具有替代CFRP和GFRP等的工程应用前景。本文通过材性试验、破坏模式与承载力分析和受弯试验，为FFRP加固钢筋混凝土梁的研究应用提供参考。

1 自然纤维布及FFRP的拉伸性能试验1.1 试验材料

在进行胶固化处理之前，对200 g·m-2半漂亚麻、300 g·m-2雨露亚麻、400 g·m-2雨露亚麻和黄麻4种自然纤维进行纯纤维布的拉伸性能试验，根据试验结果，选择性能较好的纤维布进行胶固化处理制成自然纤维增强塑料，再测定该种自然纤维增强塑料的拉伸性能。胶固化材料环氧树脂为湖南固特邦土木技术发展有限公司研发的JNC3P改性环氧胶粘剂，其物理和力学性能见表1。

1.2 自然纤维布拉伸性能试验结果及分析

分别制作200 g·m-2半漂亚麻布、300 g·m-2雨露亚麻布、400 g·m-2雨露亚麻布经向试件2个、纬向试件2个；肉眼观察黄麻布纬向纤维明显稀疏，只制作黄麻布经向试件2个。对以上试件逐个进行拉伸测试，得到的材性应力应变曲线如图1所示。

由图1可以看出：同种纤维布在经向与纬向上的拉伸性能明显不同；雨露亚麻布试件沿经向的抗拉强度相对较高，强度可达近40 MPa，但400 g·m-2雨露亚麻布试件沿经向拉伸的伸长率过高，能达到10%以上。由于编织特点，纤维束在刚开始受拉时会有一个由弯到直的过程，因此开始阶段曲线相对平缓。综合试验结果，选择300 g·m-2雨露亚麻布（经向）作为试验用布进行胶固化处理，制作FFRP进行材性分析。

1.3 FFRP拉伸性能试验结果及分析

用湿粘法分别制作2层、4层和6层FFRP片材试件各5个。逐个进行单向拉伸试验，得到的拉伸强度、弹性模量和断裂伸长率如表2所示。FFRP片材单向拉伸试验的应力应变曲线见图2。

由表2可知：2层、4层和6层FFRP的拉伸强度均值分别为98.8，94.2，84.4 MPa，随着FFRP层数的增加，拉伸强度有所下降；FFRP的初始弹性模量约为10 GPa，断裂伸长率在1.8%左右。

FFRP加固钢筋混凝土梁的破坏模式及承载力分析 用FRP进行受弯加固的钢筋混凝土梁破坏模式主要分为7个类型：①FRP拉断引起的弯曲破坏；②混凝土压碎引起的弯曲破坏；③剪切破坏；④混凝土保护层剥离破坏；⑤FRP端部界面剥离破坏；⑥中部弯曲裂缝引起的界面剥离破坏；⑦中部弯剪裂缝引起的界面剥离破坏。

如果FRP端部锚固可靠，加固梁达到受弯承载力极限状态取决于FRP拉断或受压区混凝土压碎[13]。FFRP拉伸强度远不如CFRP那么大，因此FFRP加固钢筋混凝土梁最常见的破坏模式有2种：①在混凝土被压坏之前受拉钢筋先屈服，随后FFRP被拉断（破坏模式1）；②在梁底FFRP达到其极限拉应变之前钢筋屈服，受压区混凝土被压碎（破坏模式2）。

2.1 破坏模式1

这种状态下受压区混凝土未破坏，FFRP却已达到极限拉应变，此时不能将受压区混凝土直接按照等效应力原则来计算，需要进一步分析受压区混凝土的应力应变分布。

该种破坏模式应力应变分布如图3所示，其中，h为梁截面高度，h0为受拉钢筋合力作用点至梁受压边缘的距离，as为受拉钢筋作用点至受拉边缘的距离，tff为FFRP的厚度，b为梁截面宽度，x0为平截面假定确定的受压区高度，εcc为混凝土受压区边缘压应变，εcu为混凝土的极限压应变（本文取为0.003 3），εs为受拉钢筋的应变，εy为受拉钢筋的屈服应变，εff为FFRP的应变，εffu为FFRP的极限应变，Fc为梁受压区混凝土的合力，Fs为梁纵向受拉

钢筋的合力，As为受拉钢筋截面面积，fy为受拉钢筋强度设计值，Fffu为纤维布的极限合力，Aff为FFRP截面面积， Affu为FFRP的极限拉应力。截面上不同高度处应变之间的关系为

4 结 语

（1）同种纤维布在经向和纬向上的拉伸性能明

显不同；300 g·m-2雨露亚麻布试件与400 g·m-2雨露亚麻布试件沿经向的抗拉强度相对较高；400 g·m-2雨露亚麻布试件沿经向拉伸的伸长率过高，能达到10%以上，而300 g·m-2雨露亚麻布试件沿经向拉伸的伸长率适中。

（2）300 g·m-2雨露亚麻布（经向）制作成的FFRP试件拉伸性能较为稳定，随着FFRP层数的增加，拉伸强度有所降低，初始弹性模量约为10 GPa，断裂伸长率在1.8%左右。

（3）FFRP加固钢筋混凝土梁的荷载挠度曲线在线性阶段之后趋于平缓上升状态，最后FFRP被拉断，荷载下降到比普通钢筋混凝土梁峰值荷载略低的位置。这表明FFRP加固对钢筋混凝土梁的延性有较显著的提高。

（4）与普通钢筋混凝土梁相比，FFRP加固钢筋混凝土梁的极限承载力都有不同程度的提高。加固4层FFRP的承载力提高了16.5%；加固6层FFRP的承载力提高了22.2%。

（5）对于FFRP加固钢筋混凝土梁常见破坏模式的抗弯承载力计算公式，计算值与验证性试验值吻合良好且偏于安全。鉴于试件数量有限，将通过进一步的试验，得到该种加固梁设计计算的更多依据。

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