圆截面玄武岩纤维复合筋混凝土构件受弯性能试验研究

梁 树，赵 文，胡 熠

(1.西南交通大学 地球科学与环境工程学院，四川 成都 610032；2.中国建筑西南勘察设计研究院，四川 成都 610052)

玄武岩纤维复合筋是以玄武岩纤维为增强材料，以合成树脂为基体材料，并掺入适量辅助剂，经拉挤工艺和特殊的表面处理方法形成的一种新型非金属复合材料[1-3]。其耐腐蚀能力强，能适应各类酸、碱和自然元素的腐蚀，具有高强度、轻质、热膨胀系数与混凝土相近等优异的物理化学性质，且生产造价低、环保，因此拥有广阔的应用前景[4-6]。目前，国内外关于BFRP筋应用于混凝土配筋还没有形成规范，使用时主要参考其他纤维复合材料的技术资料[7]。但由于BFRP材料的力学性质与其他纤维复合材料有差异，特别是其相对较低的弹性模量[8]让结构体更容易产生变形，是否能应用于工程尚待探讨。为了推动BFRP筋的应用，已有学者进行了相关研究，目前这些研究主要集中在方形构件[9-12]，而对于边坡支护中常用的圆形构件的研究较少。

本文通过制作不同配筋率的BFRP筋圆形构件，监测构件受弯过程中BFRP筋的力学特征，分析构件的破坏特征及承载能力，以此修正普通玻璃纤维材料(Glass Fiber Reinforced Plastic,GFRP)混凝土构件承载力的计算公式，得到BFRP筋混凝土构件的承载力计算公式。

1 试验方案

1.1 构件设计及制作

制作的圆截面BFRP筋混凝土构件长1.5 m，直径0.2 m，保护层厚度0.04 m，混凝土强度等级为C30，采用BFRP筋作为构造筋。由于BFRP不易弯曲，故构件的箍筋按照等强度替换的原则，采用直径2 mm 的光圆铁丝替代，箍筋间距100 mm。将BFRP筋均匀分布,围成筋笼，然后置于圆柱形模具中，浇筑混凝土，养护28 d。共制作了4根不同配筋率的构件。圆截表BFRP筋受弯构件配筋如图1所示，配筋方案见表1。

图1 圆截面BFRP筋受弯构件配筋(单位：mm)

编号截面尺寸/mm配筋量配筋率/%筋材之间夹角/(°)筋材净间距/mm保护层厚度/mm1#ϕ2006ϕ80.966048.0402#ϕ2006ϕ101.506045.0403#ϕ20010ϕ81.603626.6404#ϕ20014ϕ82.242616.940

1.2 加载方式及测试

构件的两端采用可微调的固定装置锁定，采用5 t千斤顶进行跨中加载。加载方式为分级加载，每级荷载约为2.5 kN，持续加载直至构件破坏。

本次试验需要监测荷载、裂缝、挠度及BFRP筋的应变。荷载大小通过加载装置的液压表读取，试验前加载装置通过万能试验机标定。挠度测量采用4个百分表，分别位于跨中顶、底和两侧1/3处。BFRP筋的应变通过电阻应变片(BX120-50AA型)及配套的TST静态应变测试仪测量。测试位置为构件顶、底BFRP筋，监测位置间隔200 mm。

2 试验结果分析

2.1 破坏过程

试验结果表明，圆截面BFRP筋混凝土受弯构件的破坏形态与圆截面钢筋混凝土构件相似。根据裂缝发展规律，分为4个阶段：①无裂缝阶段，横断面的应力和应变都比较小，构件处于弹性变形阶段，见图2(a)。②轴向裂缝阶段，即构件底部出现轴向裂缝之后，对角线裂缝出现之前，见图2(b)。初始的轴向裂缝的长度及宽度均较小，随着荷载的增加而不断增大，并在其他位置也产生裂缝。该阶段的裂缝轻微开叉，构件两端有轻微上翘。③斜向裂缝阶段，即对角线裂缝出现之后，构件破坏之前，见图2(c)。在构件底面中心附近开始出现斜向裂缝，随着荷载的增加斜向裂缝是从构件底面中心附近沿对角线向两边不断延伸，且裂缝宽度、长度不断增加。原有的轴向裂缝不断向边缘延伸，宽度不断增大，并伴随掉落的混凝土颗粒和连续爆裂的声音。④破坏阶段，内部裂缝完全贯通，见图2(d)，上部混凝土在压力的作用下翘起，下部混凝土脱落露出构件内部的筋材，油压表读数突然下降，并伴随巨大的爆裂声音。

图2 圆截面BFRP筋混凝土构件受弯过程

2.2 BFRP筋力学行为特征

跨中受拉侧BFRP筋拉应力变化曲线见图3，其中，曲线终端为极限荷载下的跨中拉应力。可知：BFRP筋的应力随荷载的增大而增大；1#—3#构件均表现出明显的初裂阶段，该阶段的最大荷载为5.04 kN。4#构件最早进入初裂阶段，且持续时间较短，这是因为4#构件的配筋率最高，混凝土量最少，混凝土部分的抗拉能力弱。初裂以前BFRP筋应力随荷载增长的速度较慢，1#—3#构件BFRP筋在5.04 kN的荷载下应力仅为1～2 MPa，该值与混凝土的抗拉强度相当，说明此时BFRP筋与混凝土共同承担受拉侧的拉力。构件底部开裂后BFRP筋的应力快速增大，当荷载为10 kN时，BFRP筋的应力达到140～190 MPa，应力增大了100倍左右。BFRP筋应力随荷载的增大继续增大直至构件破坏。BFRP筋没有表现出普通钢筋一样的屈服阶段。

图3 跨中受拉侧BFRP筋拉应力变化曲线

圆截面BFRP筋构件顶、底主筋应力曲线见图4，应力正值表示受压，负值表示受拉。可知：跨中(750 mm 处)两侧具有较好的对称性，跨中应力最大并向两端逐渐减小。初裂以前构件无裂纹，断面的垂直偏转角、应力和应变都比较小，圆截面BFRP筋混凝土受弯构件处于弹性变形阶段。受拉侧混凝土开裂后，BFRP筋承担全部拉应力，且快速增大直至构件破坏，期间无明显的应力突变。BFRP筋受压侧的变化规律与受拉侧有所区别：①受压侧承担压应力的BFRP筋主要位于跨中附近，距离跨中400 mm以外BFRP筋受到的压应力很小。②跨中受压侧BFRP筋受到的压应力随荷载的增大而增大，与受拉侧的线性增加不同，受压侧压应力均出现突变，其中1#构件的突变荷载为12.6 kN，2#构件为22.68 kN，3#构件为12.6 kN，4#构件为17.6 kN。压应力突然增大的原因是受压侧已进入塑性区。

图4 圆截面BFRP筋构件顶、底主筋应力曲线

2.3 沿截面高度混凝土应力分布规律

混凝土受弯构件的正截面强度计算是在平截面假定的基础上进行的，它要求钢筋与混凝土之间不产生滑移、断裂。由于BFRP筋的抗剪强度较低，在使用过程中是否会发生断裂、滑移尚待研究。为此，本文分别测试了圆截面BFRP筋混凝土构件混凝土应力沿截面高度的分布情况。

圆截面BFRP筋构件截面应力曲线见图5。图中，y为截面高度，F为集中荷载。可知，正截面应力沿高度呈较好的线性分布，证明了平截面假定的合理性。1#构件最下侧BFRP筋的应力不满足线性变化的规律，原因是该构件的BFRP筋笼在浇筑过程中向底部偏离，导致混凝土保护层厚度减小，从而出现滑移现象。

图5 圆截面BFRP筋构件截面应力曲线

图6 圆截面BFRP筋构件挠度-荷载曲线

2.4 构件挠度曲线

圆截面BFRP筋构件挠度-荷载曲线见图6。可知，截面开裂前构件刚度较大，挠度变化较小，此时BFRP筋混凝土梁与钢筋混凝土梁的挠度在同一荷载下基本相同[1]。截面开裂后，构件刚度突然降低，挠度加速增大，由于BFRP筋的弹性模量小于钢筋的弹性模量，BFRP筋混凝土梁的刚度下降幅度明显比钢筋混凝土梁大，因而产生了较大的挠度变形。试验所测极限破坏挠度为构件刚达到极限承载力时的挠度。

2.5 承载力特征

构件的使用要满足变形和强度要求。变形方面，按照GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》对受弯构件挠度的规定，取挠度限值为L/250(L为构件长度)，并以此计算BFRP筋构件承载力。强度方面，试验监测表明，受压侧BFRP筋的应力会出现突变，标志着受压侧开始进入塑性状态，可以作为破坏状态下的承载力。通过变形和强度计算得到的承载力较低值作为正常使用状态下的极限承载力。

计算得到BFRP筋构件的初裂状态、正常使用状态和破坏状态时的承载力，见表2。初裂状态时，1#—3#构件的弯矩基本一致，变形相当；4#构件的弯矩最小，变形最小。原因是4#构件的BFRP配筋量最大，混凝土最少，混凝土的抗拉强度小。对比构件初裂状态的变形和承载力可以看出，1#—3#构件的初裂状态承载力分别为正常使用状态承载力的67%，56%，51%，小于钢筋混凝土构件的初裂状态承载力与正常使用状态承载力的百分比。原因是BFRP筋的弹性模量较低，能够与混凝土协调变形，初裂前的状态持续较长。初裂后BFRP筋的变形更大，使构件能够快速达到挠度限值，进入正常使用状态。当配筋率从0.96%增大到1.60%时，承载力从7.5 kN·m增大到 9.8 kN·m，承载力增量与配筋率增量的比值为359；当配筋率从1.60%增大到2.24%时，承载力从9.8 kN·m增大到10.3 kN·m，承载力增量与配筋率增量的比值为78。这说明在一定范围内，随着配筋率的增加，圆截面BFRP筋混凝土构件的承载力逐渐增加，但配筋率增加到一定程度后，承载力的增量不明显，BFRP筋的利用率较低。

表2 BFRP构件承载力及变形试验结果

3 构件结构设计方法

3.1 基本假定及合理性

基本假定：①平截面假定；②不考虑混凝土的抗拉强度；③混凝土受压的应力-应变关系按GB 50010—2010中的要求确定；④不考虑纵向BFRP筋的抗压强度；⑤BFRP 筋的受拉应力取其应变与弹性模量的乘积，但其值应符合以下条件

0≤Efεf≤ffd

(1)

式中：Ef为BFRP筋弹性模量；εf为BFRP筋的应变；ffd为BFRP筋的抗拉强度设计值。

由于BFRP筋没有钢筋一样的屈服平台，到达强度极限时会发生脆性破坏，参考CJJ/T 192—2012《盾构可切削混凝土配筋技术规程》得到ffd为

式中：ffu为BFRP筋的极限拉应力，MPa；ffu,ave为BFRP筋的平均最大拉伸强度，MPa；σ为拉伸强度的均方差，MPa。

3.2 BFRP筋混凝土结构承载力计算公式

GFRP筋和BFRP筋虽均属于矿物纤维增强材料，但二者的密度、抗拉极限强度、弹性模量有一定的差异。对GFRP公式进行修正，并加入待求系数β，可以得到承载力计算公式为

(4)

(5)

αt=1.25-2α

(6)

式中：α为对应于受压区混凝土截面面积的圆心角与2π的比值，%；α1为系数，取0.92；fc为混凝土强度设计值，MPa；A为圆形截面面积，mm2；αt为纵向受拉BFRP筋与全部纵向玻璃纤维筋截面面积的比值，当α>0.625时，αt=0；As为纵向BFRP筋的总截面面积，mm2；β为待定系数，GFRP筋时取1.4，BFRP筋时待求；M为BFRP筋构件横截面的弯矩，kN·m;r为圆形截面的半径，mm；rs为纵向BFRP筋重心圆周半径，mm。

3.3 设计弯矩调整系数建议值

通过对比计算值和试验值求得待定系数β，计算值采用式(5)的右侧部分计算得到，结果见表3。可知，按保守设计取圆截面BFRP筋混凝土构件的待定系数β=2.60。

表3 计算弯矩和测定弯矩

4 结论

1)圆截面BFRP筋受弯构件开裂阶段较短，正常使用阶段开裂荷载为正常使用极限荷载的51%～67%。

2)配筋率越高，圆截面BFRP筋混凝土构件的承载力越高。当配筋率>1.6%时，单纯地提高配筋率对承载力的贡献不大。

3)圆截面BFRP筋混凝土构件受拉区和受压区主筋均随荷载的增大而增大，其中受拉区主筋无突变，受压区有突变。进入突变以后，构件仍保留有很强的承载能力。

4)圆截面BFRP筋混凝土构件的正截面应力沿高度呈较好的线性分布，满足平截面假定。

5)本文修正了圆截面BFRP筋混凝土结构承载力计算公式，并通过试验求得待定系数β=2.60。