FRP筋混凝土連續梁的抗彎性能

劉忠新

(涿州市交通運輸局)

1 概 述

纖維增強聚合物(FRP)具有強度高、重量輕、不生銹、易操作的特點。把FRP 用做加筋材料制成結構構件具有極大的吸引力，尤其是當構件處于腐蝕環境中時。另外，它還具有抗電解、抗磁化的性能。用FRP 制成板或棒，大有取代鋼筋之勢。

連續結構在橋梁建設中應用越來越普及，尤其是高等級公路橋梁。連續梁的負彎矩區經常暴露在惡劣氣候中，除飽經寒暑天氣蹂躪外，還要遭受溶水鹽的侵蝕。因此，負彎矩鋼筋經常受到銹蝕的威脅。使用不生銹的FRP 作為受力筋則可在整個試用期內放心使用，并可減少維護費用。

在鋼筋混凝土連續梁中，應力控制截面會發生應力重分布，使結構具有很好的延性，在破壞前可能顯現出很大的變形，以示警告。這種應力重分布歸功于鋼筋受拉后表現出的“屈服臺階”。而FRP 則不然，它一直到受拉破壞，變形都是彈性的，從不屈服。這就引起了學者們得注意，懷疑它是否也能夠進行荷載和彎矩重分布。在目前還沒有相關的規定。因此，在實踐中尚不允許在連續梁中進行彎矩重分布。

早期研究認為，鋼筋混凝土連續梁控制截面的彎矩重分布發生在鋼筋屈服前的正常工作荷載期間。之所以發生，是由于該截面發生了非彈性變形活裂縫，以致沿梁長方向的剛度發生了改變，從而原有的彈性彎矩發生了改變，即所謂應力重分布。研究認為，這一過程可分為兩個階段。第一階段是由混凝土出現裂縫開始的;第二階段是由鋼筋的塑性變形引起的。由于FRP 筋(棒)不能表現出塑性變形，可以認為，彎矩重分布式由于控制截面的剛度變化和混凝土產生了很小的受壓非彈性變形而發生的。還有，對于等截面梁，開裂后的剛度大致上與含筋率成正比。從試驗得出的開裂后的實際彎矩圖可以看出，FRP 筋連續梁是可以進行彎矩重分布的。

2 FRP 配筋的混凝土連續梁的試驗

研究共制作了4 根用FRP 配筋的混凝土連續梁，并進行了抗彎試驗。其中有兩根GFRP 筋梁(玻璃纖維)，一根CFRP 筋梁(碳纖維)，還有一根鋼筋混凝土梁，以資比較。

鋼筋混凝土梁設計成由鋼筋屈服二破壞，即兩個跨中正彎矩和一個支點負彎截面設計成少筋斷面;FRP 筋混凝土梁設計成混凝土被壓碎而破壞，這也是加拿大等國規范中設定的破壞模式，即在兩個控制截面設置了較大的配筋率，跨中和支點的含筋率分別為1.2%和2.8%。

CFRP 和GFRP 筋(棒)被穿上了“砂衣”，表面裹以硬砂的FRP 棒增強了它與混凝土之間的粘結力，把連續的碳纖維長絲，浸漬在熱固性乙烯基樹脂中，制成了碳纖維棒，其纖維含量為73%(重量比)。

鋼筋混凝土試驗梁采用Φ15 的螺紋鋼作為受彎鋼筋。CFRP 棒的抗拉強度為1 590 MPa，相應的極限變形為0.012;GFRP 棒的抗拉強度為730 MPa，相應的極限應變力為0.016;28 d 混凝土強度為30 MPa，抗拉強度為2.7 MPa;所有梁均采用Φ8 鋼筋做箍筋。

3 破壞模式

所有的梁均首先在支點上方出現第一條豎向裂縫。接下來，跨中開始出現相似的豎向裂縫。當豎向裂縫慢慢向受壓區擴展時，會陸續出現新裂縫。之后裂縫開始增加了寬度和深度，并開始傾斜，直至破壞。

鋼筋混凝土連續梁呈現出傳統的延性特征，中支座上方的負彎矩筋首先屈服，氣候是跨中的正彎矩筋屈服。隨著荷載的增加，剪力開始影響斜裂縫出現，鋼筋屈服，最終達到剪拉破壞。CFRP 筋混凝土梁的破壞始自負彎矩區的混凝土被壓碎，同時跨中上緣混凝土被壓碎，最后CFRP 棒被拉斷。GFRP 棒混凝土梁的破壞模式相似。之所以在GFRP 棒未達到其極限應變之前而混凝土被壓碎，是因為斷面采用了超筋設計。

4 裂縫寬度和分布

(1)鋼筋混凝土梁的裂縫比較均勻，無論是正彎矩區還是負彎矩區，裂縫間距接近箍筋間距。

(2)玻璃纖維棒混凝土梁GFRP 筋在負彎矩區布置較多，比鋼筋混凝土梁的裂縫數量少。

(3)碳纖維棒混凝土梁，支座上方的裂縫少而寬。

(4)鋼筋混凝土梁在同樣荷載作用下，裂縫寬度約為FRP 筋梁的裂縫寬度的65%。

從使用角度廚房，梁不宜出現過寬的裂縫和過大的撓度。為此，常將鋼筋應力控制在屈服應力的60%;而對GFRP 和CFRP 的應力，建議控制在它們極限強度的25%和65%。

5 撓度計算

所有試驗梁都表現出了“荷載—撓度”的線性特征，一直到裂縫出現;隨著荷載的增加，抗彎剛度減小。

由于FRP 混凝土梁的軸向剛度較低，它們會出現較寬的裂縫。因此，它們的撓度也比鋼筋混凝土梁要大。當FRP混凝土梁的負彎矩區配筋較少，正彎矩區配筋較多時，梁的撓度會變小。

考慮到使用要求，最大撓度應予以限制。加拿大標準協會提出容許撓度為L/180 ～L/480，可根據結構類型和功能選用。

撓度計算的前提是計算剛度，主要參數為截面慣矩。美國ACI 規范提出了“有效慣矩Ie”的概念。該公式源自鋼筋混凝土結構，并用系數βd進行了修正。

式中:Mcr 為開裂彎矩;Ma 為使用荷載彎矩;Ig 為毛截面慣矩;Icr 為開裂截面慣矩;βd為修正系數(取0.2 ～0.5)

按實驗結果，對FRP 筋混凝土梁，計算Ie時需進一步進行修正，修正值rG取0.6

6 結 論

研究共制作了4 片FRP 筋混凝土連續梁，其中兩片為玻璃纖維棒加筋混凝土梁，一片為碳纖維棒筋混凝土梁;還有一片普通鋼筋混凝土梁，以資比較。在兩跨跨中施加集中荷載直至破壞。試驗觀測了實際成本率和撓度，并與按現行規范計算的理論值進行了比較。

(1)GFRP 筋混凝土梁在跨中下緣配筋較多，在中支座上緣約有23%的彈性彎矩進行了重分布，傳遞給了跨中截面。

(2)采用FRP 配筋的連續梁可以實現彎矩重分布，減少跨中撓度，但它限制了結構成本能力的提高。

(3)在GFRP 混凝土連續梁中，實現了較大數量的彎矩重分布，對梁的使用性能沒有出現不利影響。

(4)在抗彎能力相同的情況下，FRP 混凝土連續梁玉鋼筋混凝土梁相比，撓度大，裂縫寬。

(5)FRP 筋混凝土梁在破壞前出現大變形、大裂縫，充分顯示了預警信號。

(6)CFRP 筋混凝土連續梁，同樣也出現了彎矩重分布現象。