BFRP筋纤维混凝土梁裂缝分析研究

张劲松 王汝恒 刘 潇

(西南科技大学土木工程与建筑学院,四川 绵阳 621010)



BFRP筋纤维混凝土梁裂缝分析研究

张劲松 王汝恒 刘 潇

(西南科技大学土木工程与建筑学院,四川 绵阳 621010)

针对BFRP筋混凝土结构受弯时出现裂缝较大的特点，在BFRP筋混凝土梁中加入短切玄武岩纤维，探究了其裂缝的改善情况，并完成了3种纤维体积掺量和3种配筋率下的BFRP筋纤维混凝土梁的抗弯试验，得出了玄武岩纤维体积掺量和配筋率对BFRP筋纤维混凝土梁裂缝的影响规律。

BFRP筋梁，短切玄武岩纤维，结构裂缝，抗弯性能

0 引言

传统钢混材料应用虽然广泛，但其结构的锈蚀问题也是难以解决的突出问题。随着BFRP(玄武岩纤维复合材料)的出现和发展，用耐腐蚀性好的BFRP筋代替钢筋就成了从根源上彻底解决这一问题的最理想方法。BFRP筋极限抗拉强度约为1 600 MPa，略低于CFRP(碳纤维复合材料)筋，但由于我国掌握自主知识产权，其价格仅为CFRP筋的1/5。目前国内外对BFRP筋混凝土结构的研究很多，但研究中发现[1,2]该结构裂缝、挠度较大，延性较差的问题，这就严重制约了该结构的发展和应用。研究表明，在一般钢混结构中掺入短切玄武岩纤维可改善结构的裂缝和挠度。因此，本文提出把BFRP筋与玄武岩纤维混凝土进行结合制成梁构件，通过对BFRP筋配筋率和玄武岩纤维掺量对结构受弯时裂缝开展的影响，对于该结构在工程实际中的发展应用有深远的意义。

1 试验概况

根据钢混结构在实际工程中的运用，本试验BFRP筋纤维混凝土梁的设计截面尺寸为300 mm×250 mm，长2 700 mm。本试验主要研究短切BFRP纤维的体积掺量与纵向BFRP筋配筋率对梁裂缝的影响，共设计3种配筋率和3种玄武岩纤维掺量。试验具体配筋情况及分组如表1所示。

表1 试验分组及配筋率

2 试验现象

本文重点观察了短切玄武岩纤维对BFRP筋梁裂缝的改善情况，所有试验梁的初始裂缝位置基本相同，均出现在梁的纯弯段跨中或跨中附近的位置；但随着短切玄武岩纤维的掺入，初始裂缝的宽度并不相同，其中BL1初始裂缝宽度为0.9 mm，BL2～BL6初始裂缝宽度相差较小，在0.2 mm～0.4 mm之间。初始裂缝出现后，各试验梁的初始裂缝发展趋势基本相同，随着荷载的增大，初始裂缝高度都不断升高，但其宽度变化均不大。各试验梁裂缝总体的发展趋势基本相同，裂缝先出现在纯弯段，并随荷载增大升高，随后出现在加载点或者剪跨段，且宽度发展较纯弯段的裂缝更快，在加载点处和剪跨的裂缝最后随荷载增大均发生横向或斜向发展，沿整个梁的长度方向裂缝分布逐渐密集，间距逐渐减小，且裂缝形状由最开始的单一竖向裂缝，发展为树根型的三角裂缝。主要试验如图1所示。

3 BFRP筋梁裂缝分析

根据BL1号～BL4号试验梁在45 kN,90 kN,135 kN,180 kN时跨中最大裂缝宽度做出跨中裂缝宽度随短切玄武岩纤维体积掺量的变化曲线如图2所示。

在荷载为45 kN时掺入短切BFRP纤维可以较好的降低梁的跨中裂缝，且改善的幅度随玄武岩纤维掺量的增大而增大；在荷载为90 kN时掺入短切BFRP纤维可以较好的降低梁的跨中裂缝，但降低效果并不随玄武岩纤维掺量的增大而变化；当荷载较大时，只有玄武岩纤维体积掺量不大于0.4%时对梁的跨中裂缝有所改善，且此时的改善效果均不明显。在荷载45 kN时，掺入体积掺量为0.6%的玄武纤维对跨中裂缝的改善效果最优，在荷载大于45 kN时掺入体积掺量为0.4%的玄武岩纤维对跨中裂缝改善效果最优。

由于BL6的极限荷载仅为90 kN，为准确比较纵向BFRP筋配筋率对跨中裂缝宽度的影响，选取BL2号,BL5号,BL6号试验梁在45 kN,65 kN,85 kN和105 kN时跨中最大裂缝宽度，做出跨中裂缝宽度随短切玄武岩纤维体积掺量的变化曲线如图3所示。

当玄武岩纤维体积掺量都为0.2%时，荷载为45 kN时跨中最大裂缝随纵向BFRP筋配筋率的增大，没有明显变化。当荷载大于45 kN时，跨中裂缝随纵向BFRP筋配筋率的增大均有所减小。荷载为65 kN时，对比BL5和BL6，纵向BFRP筋配筋率增大50%，跨中裂缝宽度减小了50%；对比BL5和BL2，纵向BFRP筋配筋率继续增大50%，此时跨中裂缝减小了18.2%。荷载为85 kN时，对比BL6和BL5，纵向BFRP筋配筋率增大50%，跨中裂缝宽度减小了46.7%；对比BL5和BL2，纵向BFRP筋配筋率继

续增大50%，此时跨中裂缝减小了37.5%。荷载为105 kN时，由于在90 kN时BL6发生了破坏，此时仅比较BL2,BL5，纵向BFRP筋配筋率增大50%时，跨中裂缝宽度减小了57.6%。综合分析可见，当玄武岩纤维体积掺量都为0.2%时，随着纵向BFRP筋配筋率的增大，跨中最大裂缝宽度会减小，但减小的幅度并不相同，在配筋率较小时，随着配筋率的增大裂缝宽度减小的幅度较大，一般在50%左右；当配筋率较大时，随配筋率的增大，跨中最大裂缝的宽度减小幅度较小，一般在30%左右。

4 结语

本文对BFRP筋纤维混凝土梁抗弯性能进行了试验研究，并对其裂缝的开展进行了分析，得出以下结论：

1)掺入短切玄武岩纤维可减小BFRP筋混凝土梁的初始裂缝宽度，但随着纤维掺量的增加减小的幅度情况并不会增大。

2)BFRP筋梁裂缝的发展趋势基本相同，裂缝先出现在纯弯段，并随荷载增大升高，随后出现在加载点或者剪跨段，且宽度发展较纯弯段的裂缝更快，在加载点处和剪跨的裂缝最后随荷载增大均发生横向或斜向发展，沿整个梁的长度方向裂缝分布逐渐密集，间距逐渐减小，且裂缝形状由最开始的单一竖向裂缝，发展为树根型的三角裂缝。

3)掺入短切BFRP纤维可以较好的降低梁的跨中裂缝，但降低效果并不随玄武岩纤维掺量的增大而变化。在荷载大于45 kN时掺入体积掺量为0.4%的玄武岩纤维对跨中裂缝改善效果最优。

4)随着纵向BFRP筋配筋率的增大，跨中最大，裂缝宽度会减小，但减小的幅度并不相同，在配筋率较小时，随着配筋率的增大，裂缝宽度减小的幅度较大，一般在50%左右；当配筋率较大时，随配筋率的增大，跨中最大裂缝的宽度减小幅度较小，一般在30%左右。

[1] 高丹盈，李趁趁，朱海堂.纤维增强塑料筋的性能与发展[J].纤维复合材料，2002(4):37-40.

[2] 王 勃，何 政，张新越，等.纤维聚合物筋在土木工程中的应用[J].建筑技术，2003，34(2):134-135.

[3] 袁竞峰.新型FRP筋混凝土梁受弯性能研究[D].南京：东南大学硕士学位论文，2006.

[4] H.A. Abdullah. Evaluation of deflection in concrete members reinforced with fibre reinforced polymer(FRP) bars[J].Composite Structures，2002，56(1):63-71.

[5] 宋 洋.玄武岩FRP筋混凝土梁受弯性能试验研究[D].阜新：辽宁工程技术大学硕士学位论文，2006.

[6] 王 钧，马 跃，张 野，等.短切玄武岩纤维混凝土力学性能试验与分析[J].工程力学，2014(S1):99-102.

Research of BFRP steel fiber concrete beam crack analysis

Zhang Jinsong Wang Ruheng Liu Xiao

(SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,SouthwestUniversityofScienceandTechnology,Mianyang621010,China)

Aimed at the characteristic of the BFRP steel concrete structure of the bending crack, based on the BFRP add chopped basalt fiber reinforced concrete beams, to explore the improvement of the cracks. Completed the three kinds of fiber volume content and three kinds of BFRP under the reinforcement ratio of steel fiber reinforced concrete beam bending test. It is concluded that the basalt fiber volume content and reinforcement ratio of BFRP steel fiber concrete beam crack are studied.

BFRP reinforced beam, chopped basalt fibers, structure cracks, the bending performance

1009-6825(2017)10-0059-02

2017-01-21

张劲松(1990- )，男，在读硕士

TU375.1

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