BFRP筋混凝土梁彎曲性能研究進展

昌 魏 鄧 皓

四川文理學院建筑工程學院 四川 達州 635000

1 引言

BFRP筋是通過連續玄武巖纖維和環氧樹脂在線拉擠、纏繞、表面涂覆制備而成，其包含玄武巖纖維和環氧樹脂兩種成分。BFRP筋是21世紀的新型綠色環保材料，其具有強度高、質量輕、耐腐蝕、化學穩定性好，適用溫度范圍廣等優點。BFRP在破裂前有顯著的延伸率，以較大的裂縫和撓度，能防止BFRP發生脆性破壞。用BFRP筋增強的混凝土受彎構件能夠取得更好的效果，能夠更好滿足承載能力極限狀態和正常使用極限狀態設計。2015年我國發布了《纖維復合材料行業“十三五”發展規劃》，旨在擴大纖維增強復合材料的應用和發展。2016年，我國多部門聯合出臺了《關于加快新材料產業創新發展的指導意見》，提出加快創新發展玄武巖纖維等無機非金屬功能材料。《中國制造2025》也提出加快發展玄武巖纖維等復合材料的研究與應用[1]。

我國中西部地區由于氣溫變化大、環境濕度大，部分地區需要考慮工業污染物的影響。因此，BFRP筋混凝土梁的研究和應用具有重大的意義。本文通過對BFRP筋混凝土梁彎曲性能的研究與應用的總結分析，對其是否能成為未來主要的新型建筑材料提出意見與展望。

2 普通BFRP筋混凝土梁的受彎試驗

普通BFRP筋混凝土梁主要是常規混凝土強度的BFRP筋梁，其彎曲試驗不同于鋼筋混凝土梁的受彎試驗，BFRP筋與混凝土的黏結作用使得其與鋼筋混凝土梁的受彎性能有所差異。

對3個BFRP筋混凝土簡支梁進行試驗研究，通過研究其裂縫分布示意圖、荷載-撓度曲線和彎矩曲率曲線，研究BFRP筋混凝土簡支梁的破壞過程和破壞形態。并通過有限元軟件模擬了BFRP筋簡支梁的受彎性能，通過試驗和有限元分析發現BFRP筋混凝土梁的破壞表現為延性破壞，裂縫分布沿梁均勻分布[2]。

研究發現玄武巖纖維增強筋/鋼筋混合配筋混凝土梁的破壞形式均表現為鋼筋屈服后混凝土壓碎；隨著配筋面積比的增加，其撓度逐漸增加，表明其撓度可以通過調整玄武巖纖維增強筋/鋼筋混合配筋混凝土梁的配筋面積比來進行控制[3]。同時，研究表明同一纖維體積率情況下，受壓區摻入鋼纖維混凝土梁的極限承載力與全截面摻入鋼纖維的混凝土的梁極限承載力相近。僅在受壓區摻入鋼纖維可有效提高BFRP筋與鋼纖維的增強增韌作用，進而提高梁的抗彎性能[4]。

考慮將廢棄的建筑材料經過處理并按比例替代天然集料，加入水泥和水而配成的再生混凝土結合BFRP筋的力學性能優勢，通過12根玄武巖纖維筋再生混凝土簡支梁的三點靜力試驗，研究了不同骨料取代率的再生混凝土對BFRP筋受彎構件的破壞形態、彎矩-曲率關系曲線、荷載-撓度關系曲線、裂縫開展情況等方面的性能影響。研究表明再生骨料取代率的提高，試件抗彎承載力基本不變，延性增加明顯，裂縫數量增加也較為明顯，且裂縫間距分布更加均勻。表明BFRP筋與再生混凝土的粘結更加均勻，符合工程對裂縫的要求[5]。結合抗拉強度高、耐久性好和自重輕的碳纖維布和輕質高強、耐腐蝕的玄武巖纖維筋混凝土的優勢，并將變形能力好、抗拉性能與耐久性能優異的新型水泥基復合材料的優點，研究了碳纖維布加固玄武巖纖維筋工程用水泥基復合材料混凝土組合梁。研究表明粘貼碳纖維布加固能夠有效提高BFRP筋混凝土梁的承載力能夠，極限承載力隨著碳纖維布粘貼層數增加而增加，但增加趨勢逐漸變慢。碳纖維加固后能夠有效提高組合梁的抗彎剛度，限制裂縫的延伸和發展。提出了綜合考慮碳纖維布層數和構件黏結性能的強度折減系數[6]。

研究發現BFRP混凝土梁開裂彎矩低于ACI和CSA規范的理論計算公式，這一發現也同樣出現在GFRP筋混凝土梁受彎情況。通過試驗測得的平均粘結系數和加拿大告訴公里設計規范一致。隨著配筋率的增加，BFRP筋混凝土梁剛度增加，相同荷載作用下應變更小。試件的軸向剛度顯著影響BFRP筋混凝土梁的受彎性能。軸向剛度越大，試驗梁的撓度、應變和裂縫寬度均更小[7]。而BFRP筋嵌入式加固法可顯著提升鋼筋混凝土梁的承載性能，其增強作用主要體現縱筋屈服后。粘結滑移問題在加固梁中普遍存在，BFRP筋-混凝土界面的相對滑移降低了加固梁的極限荷載。BFRP筋端部應力集中，易發生剝離破壞，加固梁的剝離承載力主要受BFRP筋的粘結長度及二次受力的影響[8]。研究結果表明在相近的配筋率情況下，FRP筋混凝土梁開裂后抗彎強度明顯低于普通鋼筋梁，裂縫寬度更大。正常使用極限狀態下，FRP筋混凝土梁中的FRP筋的裂縫間縱筋受拉應變不均勻系數值大于普通鋼筋[9]。

通過FRP筋與混凝土的粘結性能、粘結破壞機理研究。通過有限元分析了配筋率、混凝土強度、界面尺寸、纖維類型和荷載形式等因素對FRP筋混凝土梁受力性能的影響。根據變形協調關系推導了界限受壓區高度、界限配筋率和FRP筋混凝土梁承載力計算公式[10]。結合11個FRP筋混凝土梁的受彎試驗，進行開裂荷載、裂縫開展和撓度變化進行分析，提出FRP筋混凝土梁在受彎狀態下的撓度和裂縫計算公式[11]。采用試驗、有限元和理論分析方法對FRP筋混凝土梁受彎性能進行開裂彎矩、抗彎承載力、裂縫寬度、剛度、撓度的計算公式進行研究。通過理論推導結果與試驗結果進行對比分析，探索FRP筋混凝土梁理論分析的一條新途徑[12]。根據纖維增強塑料筋混凝土梁正截面抗裂度的試驗結果，研究了鋼筋混凝土梁正截面抗烈度計算方法相銜接的纖維增強塑料筋混凝土梁正截面抗裂度的計算方法[13]。通過BFRP筋的拉伸性能試驗、抗彎性能試驗、BFRP筋混凝土梁抗彎性能的試驗和數值分析，進行12個簡支梁的豎向荷載試驗，4個破壞梁的補強加固試驗。通過ADINA計算值與實測值進行比較分析，發現軟件計算精度較高，為模擬纖維增強筋混凝土結構的受彎性能提供了新的方法和途徑[14]。

綜上所述，普通BFRP筋混凝土梁的受彎性能研究主要集中在矩形截面簡支邊界條件，相關兩端固支、懸臂梁相關的研究較少，同時截面形式過于單一，難以反映實際工程中的受力情況。

3 高強混凝土BFRP筋梁的受彎試驗

高強混凝土BFRP筋梁主要是混凝土強度在C50至C80之間，混凝土強度的BFRP筋梁， BFRP筋與普通混凝土的黏結作用使得其與普通BFRP筋混凝土梁的受彎性能有所差異。

通過試驗研究全截面增強和部分增強的BFRP筋鋼纖維復合增強高強混凝土梁受彎性能，通過分析鋼纖維混凝土層厚度、鋼纖維體積率和FRP配筋率等參數分析梁破壞模式、受彎承載力、荷載-撓度曲線、使用荷載、荷載-最大裂縫寬度曲線、平均裂縫寬度、裂縫寬度差異性的影響。發現BFRP筋鋼纖維復合增強高強混凝土梁的破壞模式可分為FRP筋拉斷破壞、混凝土壓碎破壞和平衡破壞。鋼纖維的加入可提高BFRP筋高強混凝土梁的使用荷載。鋼纖維體積率、鋼纖維混凝土層厚度和FRP筋配筋率的增大可有效抑制BFRP筋鋼纖維復合增強高強混凝土梁裂縫的開展。在BFRP筋高強混凝土梁的全截面摻加鋼纖維可提高梁的延性，而在部分截面摻加鋼纖維會對梁的延性產生一定程度的負面影響[15]。通過6個高強混凝土纖維筋梁的受彎試驗，研究纖維對承載力、裂縫形成和延性的影響，發現增加纖維能夠提高梁的開裂荷載、極限強度和延性，同時減小纖維筋混凝土梁的最大裂縫寬度[16]。

由文獻可知，高強混凝土BFRP筋混凝土的受彎性能研究僅得出一些定性的結論，難以滿足工程應用的要求。

4 腐蝕條件下BFRP筋混凝土梁的受彎試驗

腐蝕條件下BFRP筋混凝土梁，其受彎性能與普通混凝土的黏結作用使得其與普通BFRP筋混凝土梁的受彎性能有所差異。其耐久性問題值得進一步研究。

針對惡劣環境中的鋼筋混凝土的耐久性問題，研究了FRP筋混凝土的耐腐蝕性能和高強度性能，通過5個CFRP筋混凝土簡支梁和4個AFRP筋混凝土簡支梁的受彎性能試驗，研究了FRP筋配筋率對梁的破壞情況，提出FRP筋混凝土梁的極限承載力、最小配筋率、抗裂度和剛度的設計方法[17]。通過對氯化鈉溶液侵蝕作用后的4種不同筋材的受拉性能和5組混凝土梁受彎性能進行了試驗研究。研究了應力水平和侵蝕時間對鋼-玄武巖纖維復合筋受拉性能及鋼-玄武巖纖維復合筋混凝土梁受彎承載力、變形、裂縫和破壞形態的影響。結果表明鋼-玄武巖纖維復合筋綜合了鋼筋良好的延性和BFRP筋的高強度，在內芯鋼筋屈服后仍呈現出穩定的拉伸模量。鋼-玄武巖纖維復合筋混凝土梁在鋼筋屈服后具有明顯的抗彎剛度。相同配筋率的未侵蝕試件，鋼筋混凝土梁承載力最高，鋼-玄武巖纖維復合筋混凝土梁承載力最低。彎矩-變形曲線預測值與實測值吻合良好；現行混凝土結構設計規范關于裂縫寬度的計算理論仍適用于鋼-玄武巖纖維復合筋混凝土梁[18]。

分析文獻研究可知，腐蝕條件下BFRP筋混凝土梁的受彎性能研究中，大多數試驗研究都采用實驗室加速腐蝕，不能真實反映實際工程中的受力情況。

5 結語

本文對普通BFRP筋混凝土梁的受彎性能、高強混凝土BFRP筋和腐蝕條件下BFRP筋混凝土梁的受彎試驗研究進行了總結和歸納，主要得出以下結論：

（1）普通BFRP筋混凝土梁的受彎性能研究后續應對更多的荷載工況展開試驗，更能保證研究成果的有效性和可靠性。

（2）高強混凝土BFRP筋混凝土的受彎性能研究僅得出一些定性的結論，需要進一步研究和提出其抗彎承載力、撓度計算公式和裂縫開裂計算公式，以保證工程中的應用。

（3）腐蝕條件下BFRP筋混凝土梁的受彎性能研究，以后應對真實服役環境下的試件展開試驗，得出的結論更加可靠和適用。