GFRP/钢筋混合配筋混凝土梁的受弯试验研究

2022-06-24王勃，苗贺

吉林建筑大学学报 2022年2期

王勃，苗贺

吉林建筑大学土木工程学院，长春 130118

0 引言

钢筋混凝土结构在正常服役情况下其耐久性较高,但处于恶劣环境下(如:近海洋建筑、桥梁、污水处理池、化工厂等),钢筋混凝土结构会随着腐蚀介质的入侵出现钢筋锈蚀问题,极大地降低了结构的耐久性和安全性,同时也造成了一定的经济损耗[1-2].

纤维增强复合筋材(fiber reinforced polymer/plastics,简称FRP)由纤维材料和基体材料通过拉挤工艺制成,与普通钢筋相比,轻质高强、透电磁波、绝缘性好,耐腐蚀性突出[3],这些优点使FRP筋在酸、碱、高温潮湿等恶劣环境中可以长期使用.试验表明，FRP筋代替钢筋可以解决钢筋锈蚀问题,但FRP筋弹性模量低、延性差,结构会发生脆性破坏.采用钢筋和FRP筋混合配筋这种形式,既能防止脆性破坏,又能提高结构的耐久性[4-5].目前,FRP筋在桥梁、高层建筑中都有广泛的应用,国内外学者对此也展开了一系列研究.Denvid Lau等[6]人通过试验,证明了FRP筋与钢筋混合配筋混凝土梁的刚度和抗弯性能都增加了.Sanfan等[7]人对12根GFRP/钢筋混杂配筋梁的破坏状态、裂缝形态等进行试验研究,结果表明:受拉钢筋屈服后,受压区混凝土发生压碎破坏.GFRP筋的加入提高了梁的抗弯承载能力,裂缝有明显改善.葛文杰等[8]人通过对5根GFRP/钢筋混杂配筋混凝土梁的抗弯试验,在需要高承载能力且挠度要求不高的情况下,混杂配筋混凝土梁可以很好地发挥材料的优良性能.合理控制混合配筋梁的配筋率及FRP筋面积与钢筋的面积比值,其延性性能可以满足设计要求.庞蕾等[9]人对混杂配筋混凝土梁的抗弯性计算进行了分析总结,推荐设计时采用限定纵筋最大拉应变的混合配筋混凝土梁抗弯承载力计算公式.董志强等[10]人基于试验数据分析,修正了FRP筋混凝土受弯构件最大裂缝宽度计算方法.已有试验表明:构件的承载力和抵抗变形的能力随FRP筋的加入均得到了提升,并且提出了抗弯承载力计算公式和计算最大裂缝公式.混合配筋是一种优良的配筋方式，值得广泛深入研究[11-12].本文选择应用广泛且价格低廉的玻璃纤维筋进行试验研究,分析GFRP筋/钢筋混合配筋梁的抗弯性能,为相关设计方法提供参考.

1 试验概况

1.1 试件设计

共制作了6根试验梁:4根GFRP筋钢筋混杂配筋梁，1根钢筋混凝土梁，1根GFRP筋混凝土梁[13].梁的总长2 400 mm,截面尺寸150 mm×250 mm,箍筋直径6 mm，混凝土保护层厚度25 mm.试验梁尺寸及加载示意图如图1所示,配筋详图如图2所示.

图1 试验梁尺寸及加载示意图Fig.1 Test beam size and loading diagram

图2 各梁配筋详图Fig.2 Detail drawing of each beam reinforcement

1.2 试验材料

试验采用C30混凝土,配合比为水∶水泥∶砂∶石子=0.38∶1∶1.11∶2.72,分批次浇筑,在室内环境下,浇水养护28 d,取标准立方体试块150 mm×150 mm×150 mm进行抗压试验,所得混凝土试块的平均压强值为32.08 MPa.GFRP筋和钢筋性能指标见表1,表2.

表1 GFRP筋性能指标Table 1 Performance index of GFRP bars

表2 钢筋性能指标Table 2 Performance index of steel bar

2 试验过程及破坏状态分析

(1) 试验梁尺寸及加载见图1,试验结果见表3.

表3 试验钢筋配筋及试验结果Table 3 Test reinforcement and test results

钢筋混凝土梁H1首先在施加荷载处出现1条裂缝,随着荷载增大,新的裂缝在梁跨中出现,且原有裂缝变长变宽.当混凝土被压碎且脱落,此时混凝土压应变达到了极值，如图3所示.

(2) 混合配筋梁GH1在跨中偏左处出现了首条裂缝,稍后梁跨中裂缝延长变宽,且新的裂缝出现.持续加载,受拉钢筋屈服,跨中挠度增大,混凝土压应变突然增大.当混凝土压应变达到极值时,跨中混凝土发生破坏,如图4所示,此梁发生适筋破坏.

图4 梁GH1的破坏形态Fig.4 Failure pattern of beam GH1

(3) 混合配筋梁GH2较GH1梁增加了配筋率,首先在距跨中7 cm处出现裂缝,如图5所示.持续加载,这条裂缝很快向梁顶端延伸.继续加载,在距右支座处89 cm处出现斜裂缝,纯弯段裂缝与斜裂缝都增加,弯剪区斜裂缝宽度没有明显变化.当受拉钢筋屈服时,混凝土压应变达到极限压应变,随着荷载增加,右加载点处挠度逐渐超过跨中挠度,斜裂缝变宽且斜裂缝处混凝土脱落,次梁发生适筋破坏.

图5 梁GH2的破坏形态Fig.5 Failure pattern of beam GH2

(4) 混合配筋梁GH3在距支座118 cm出现了第1条裂缝,如图6所示,之后纯弯段裂缝变多.由于荷载增大斜裂缝出现,受拉主筋屈服,混凝土压应变达到极值.继续加载,跨中与斜裂缝处混凝土脱落,此梁发生适筋破坏.

图6 梁GH3的破坏形态Fig.6 Failure pattern of beam GH3

(5) 混合配筋梁GH4为超筋梁,如图7所示.在距左支座102 cm处出现第1条裂缝,新出现的裂缝集中在跨中处.当混凝土压应变达到极限压应变时,纯弯段裂缝和斜裂缝没有明显变化,继续加载斜裂缝延长且变宽.

图7 梁GH4的破坏形态Fig.7 Failure pattern of beam GH4

(6) 纯FRP筋梁G1,如图8所示.首先在距支座112 cm处出现裂缝，随后纯弯段裂缝增多，但沿梁高方向裂缝发展缓慢,数量也较少.主筋为GFRP筋,梁没有屈服阶段,当达到荷载峰值时,混凝土未被压碎,纯弯段裂缝变宽.

图8 梁G1的破坏形态Fig.8 Failure pattern of beam G1

3 试验结果分析

分别在梁两端和三分点处设置位移计(见图1).在不同荷载作用下梁跨中荷载-挠度曲线如图9所示.

图9 跨中荷载-挠度曲线Fig.9 Deflection curves of mid-span load

(1) 钢筋混凝土梁H1荷载-挠度曲线可分为3个阶段:线弹性阶段、快速发展阶段和平稳发展阶段.2个转折点分别为钢筋开裂荷载和极限荷载.在混凝土尚未开裂时,荷载-挠度曲线为线性,随着混凝土开裂,钢筋混凝土梁整体刚度变小，挠度快速增加,钢筋屈服后挠度进入平稳发展阶段,曲线基本为直线.

(2) 纯GFRP筋混凝土梁G1荷载-挠度曲线只有2个阶段，转折点为极限荷载,由于GFRP筋没有屈服点,当达到最大荷载时,混凝土未出现压碎现象,第1阶段梁的刚度变化不大,第2阶段曲线趋于平缓,刚度越来越大.

(3) GFRP筋/钢筋混合配筋混凝土梁为GH1～GH3荷载-挠度曲线分为3个阶段：第1阶段GH1～GH3挠度相差不大,曲线近似重合,GH4由于配筋率超高,其斜率大于GH1～GH3.对第2阶段和第3阶段来说，相同荷载下,GH1梁挠度最大,GH3梁挠度次之,GH2梁挠度最小;H1,GH1,G1梁的配筋和荷载相同时,GFRP筋梁G1挠度值最大,钢筋梁H1挠度值最小,混合配筋混凝土梁GH1挠度值介于两者之间;随着钢筋屈服,混凝土未发生破坏,FRP筋应力也远小于极限拉应力,这个阶段钢筋发生较大的塑性变形,挠度快速增长,曲线斜率小于第1阶段的斜率.