歐陽利軍，丁 斌，陸洲導(dǎo)，余江滔

（1.同濟(jì)大學(xué) 航空航天與力學(xué)學(xué)院，上海200092；2.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海200092；3.溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系，浙江 溫州325035）

玄武巖纖維復(fù)合材料（BFRP）是一種新型無機(jī)纖維復(fù)合材料.玄武巖纖維與目前使用較為廣泛的碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維相比具有較強(qiáng)的綜合性能［1－4］：①抗拉強(qiáng)度較高（國產(chǎn)玄武巖纖維布抗拉強(qiáng)度已達(dá)到2 300MPa）；②延性好（約為碳纖維的1.5倍）；③耐高溫和耐腐蝕性能較強(qiáng)；④價(jià)格低廉（約為碳纖維的1／5～1／6）；⑤綠色環(huán)保（通過玄武巖熔融后物理加工而成）.玄武巖纖維復(fù)合材料將在工程結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景［5］.

纖維復(fù)合材料加固連續(xù)梁在既有混凝土框架結(jié)構(gòu)加固工程中的應(yīng)用非常普遍.混凝土連續(xù)梁在荷載作用下會(huì)發(fā)生內(nèi)力重分布，局部會(huì)形成塑性鉸，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力按各截面之間的剛度比值分配.當(dāng)各控制截面出現(xiàn)塑性鉸后，連續(xù)梁發(fā)生機(jī)構(gòu)破壞而喪失承載力.當(dāng)連續(xù)梁中支座截面先于跨中截面出現(xiàn)塑性鉸時(shí)，連續(xù)梁的破壞表現(xiàn)出較好的延性［6］.

采用纖維復(fù)合材料加固混凝土受彎構(gòu)件是提高構(gòu)件抗彎承載力的一種行之有效的方法［7－11］.本文以實(shí)際工程中經(jīng)常遇到的連續(xù)梁負(fù)彎矩區(qū)纖維布繞過柱粘貼的情況為工程背景，進(jìn)行了7根玄武巖纖維布與碳纖維布加固的混凝土T 形截面連續(xù)梁和1根對比梁的抗彎試驗(yàn)研究.

1 試驗(yàn)概況

1.1 構(gòu)件尺寸和配筋

為考慮實(shí)際工程中混凝土樓板參與受力，連續(xù)梁試件設(shè)計(jì)成T 形截面，試件包括7根加固梁和1根對比梁.各試件均采用C30混凝土和相同的配筋形式，截面尺寸為150 mm×250 mm，板厚hf＝60 mm，板寬bf＝800mm.混凝土立方體抗壓強(qiáng)度平均試驗(yàn)值為37.0MPa.試件尺寸、截面配筋情況如圖1所示，鋼筋、纖維布的材性試驗(yàn)值如表1，2所示.

圖1 試件配筋圖（單位：mm）Fig.1 Specimen and reinforcement arrangement（unit：mm）

1.2 加固方案及加載制度

工程中經(jīng)常遇到梁柱節(jié)點(diǎn)處無法在梁支座負(fù)彎矩段內(nèi)粘貼纖維的情況，因而采取在柱兩側(cè)板的有效寬度范圍內(nèi)粘貼纖維的方法［12］.各加固梁板面均粘貼一層纖維布，其中4根加固梁梁底分別粘貼1～4層玄武巖纖維布，3 根加固梁梁底分別粘貼1～3層碳纖維布，加固方案如圖2所示.連續(xù)梁跨內(nèi)全段均粘貼U 型箍以加強(qiáng)錨固并避免試件發(fā)生剪切破壞.對比梁和加固梁編號(hào)及加固方式見表3.

圖2 加固設(shè)計(jì)示意圖（單位：mm）Fig.2 Design of strengthened specimens（unit：mm）

表1 鋼筋的力學(xué)性能指標(biāo)Tab.1 Mechanics properties of reinforcement

表2 纖維布物理力學(xué)性能指標(biāo)Tab.2 Properties of fiber reinforced polymer（FRP）

表3 試件概況Tab.3 Details of test specimens

試驗(yàn)過程中所有構(gòu)件均采用手動(dòng)控制千斤頂進(jìn)行加載，并由壓力傳感器控制分級(jí)荷載.千斤頂以相同荷載同步加載，正式加載前進(jìn)行預(yù)載，預(yù)加載完成并卸載到初始狀態(tài)后，采用分級(jí)加載制度，以5kN的步長對構(gòu)件進(jìn)行加載，直到構(gòu)件破壞.試驗(yàn)裝置如圖3所示.

2 試驗(yàn)現(xiàn)象及分析

2.1 破壞現(xiàn)象

圖3 試驗(yàn)裝置及撓度測點(diǎn)布置圖（單位：mm）Fig.3 Test set－up and linear variable differential transformer arrangement（unit：mm）

B－0首先在跨中梁底出現(xiàn)微裂縫，寬度約為0.03mm，開裂荷載為20kN.隨著荷載增加，跨中梁側(cè)裂縫數(shù)量、寬度增加，走向與梁軸線垂直，裂縫間距與箍筋間距相近.隨后新增裂縫陸續(xù)遠(yuǎn)離加載點(diǎn)，向兩邊支座擴(kuò)散.加載初期，跨中處以受彎裂縫為主.荷載繼續(xù)增加時(shí)，支座負(fù)彎矩段出現(xiàn)橫向裂縫，此時(shí)的開裂荷載為41kN.隨后，中支座處梁側(cè)出現(xiàn)彎剪裂縫，裂縫走向由上至下.荷載達(dá)到85kN 時(shí)，跨中縱筋屈服.接近破壞時(shí)，中支座處翼緣裂縫與彎剪裂縫連通，如圖4b所示.荷載繼續(xù)增加時(shí)，加載點(diǎn)處翼緣也出現(xiàn)裂縫，并向梁肋靠近.此時(shí)，中支座處與跨內(nèi)豎向裂縫均向加載點(diǎn)延伸.荷載達(dá)到120kN時(shí)，跨中撓度達(dá)到40.2mm，試件發(fā)生受彎破壞，破壞形態(tài)如圖4a，4b所示.

各加固梁首先在跨中梁底出現(xiàn)微裂縫，開裂荷載與B－0相近，約為20kN.荷載增大直到縱筋屈服，B－B1，B－B2，B－B3的破壞形態(tài)均與B－0相似，但相比之下，跨中和支座處的裂縫均得到了明顯抑制，中支座板面開裂稍許延遲，開裂荷載約45 kN.B－B1荷載達(dá)到90kN 時(shí)，跨中縱筋屈服.加載到129kN 時(shí)，右跨撓度達(dá)到40mm，跨中纖維布拉斷，試件破壞，板面破壞形態(tài)如圖5所示.B－B2荷載達(dá)到94kN 時(shí)，跨中縱筋屈服.加載到140kN 時(shí)，跨中纖維布拉斷，達(dá)到極限承載狀態(tài)，跨中最大撓度為22.5mm，破壞形態(tài)如圖6所示.荷載達(dá)到98kN時(shí)，B－B3跨中縱筋屈服，加載到135kN 時(shí)，局部U形箍翹曲剝離，150kN 時(shí)撓度迅速增加進(jìn)而試件破壞.荷載達(dá)到100kN 時(shí)，B－B4跨中縱筋屈服.荷載增加到152kN 時(shí)，纖維布拉裂，同時(shí)跨中處發(fā)生U形箍與混凝土的剝落破壞，箍筋與縱筋外露，混凝土壓壞，B－B4跨中梁底破壞形態(tài)如圖7所示.

從開始加載到跨中縱筋屈服，B－C1，B－C2破壞形態(tài)與B－B1相似，中支座板面開裂荷載分別為54kN 和55kN.破壞時(shí)纖維布突然斷裂，試件變形較小，跨中加載點(diǎn)最大撓度均小于跨度的1／100倍，中支座處混凝土僅出現(xiàn)微裂紋，裂縫寬度約為0.08 mm，跨中裂縫約為0.3mm.B－C3破壞時(shí)，板面及跨中混凝土開裂均不明顯，跨中處纖維布未拉裂，支座和跨中處受拉縱筋均未屈服，中支座處混凝土壓壞導(dǎo)致U 形箍、端部纖維布與混凝土大塊剝離，鋼筋外露.破壞形態(tài)如圖8所示.

圖4 B－0破壞形態(tài)Fig.4 Pictures of B－0at failure

圖5 B－B1破壞形態(tài)Fig.5 Pictures of B－B1at failure

圖6 B－B2破壞形態(tài)Fig.6 Pictures of B－B2at failure

圖7 B－B4破壞形態(tài)Fig.7 Pictures of B－B4at failure

圖8 B－C3破壞形態(tài)Fig.8 Pictures of B－C3at failure

2.2 破壞模式

2.2.1 纖維布拉斷

B－B1，B－B2，B－B3，B－C1，B－C2均以跨中縱筋屈服后，中支座處梁頂縱筋屈服繼而混凝土壓壞，跨中纖維布斷裂為破壞模式.這種破壞模式具有明顯征兆：當(dāng)連續(xù)梁跨中縱筋屈服后，梁側(cè)及中支座處板面可見明顯裂縫，梁相對中支座轉(zhuǎn)角明顯增加，此后中支座處梁頂縱筋屈服、混凝土壓壞，并形成塑性鉸，隨后跨中截面形成塑性鉸，加固梁發(fā)生機(jī)構(gòu)破壞.

2.2.2 混凝土受壓破壞

B－B4，B－C3均發(fā)生混凝土受壓破壞.U 型箍、梁底纖維布、混凝土一起發(fā)生剝離破壞，縱筋和箍筋外露.B－B4中支座處梁頂縱筋屈服后，跨中截面混凝土壓壞，纖維布拉裂，可判斷為跨中處混凝土發(fā)生受壓破壞；B－C3受載過程中，中支座處梁頂縱筋始終未達(dá)到屈服，未形成塑性鉸，直到中支座截面混凝土發(fā)生受壓破壞導(dǎo)致加固梁發(fā)生破壞，脆性破壞特征明顯.

2.3 承載力

由表4可知，各加固梁的屈服荷載、極限荷載均有不同程度的提高，BFRP 布加固梁跨中截面屈服荷載最大提高幅度為17.6%，極限荷載最大提高幅度為26.7%.CFRP 布加固梁跨中截面屈服荷載最大提高幅度為38.8%，極限荷載最大提高幅度為37.5%.CFRP布對梁的抗彎承載力提高貢獻(xiàn)較大；各加固梁跨中截面開裂荷載均在20kN 左右，纖維布加固量的變化對跨中截面開裂荷載無明顯影響.BFRP布加固梁中支座截面開裂荷載為45～47kN，而CFRP布加固梁中支座截面開裂荷載為52～54 kN，跨中截面開裂后，加固梁剛度對中支座截面開裂荷載影響較大.

2.4 撓度

由圖9可知，相對CFRP布加固梁，同等工況下的BFRP 布加固梁延性較好，從試件屈服到破壞的征兆更明顯.各加固梁從加載初期至中支座截面混凝土開裂前，荷載－撓度曲線基本重合.加固梁中支座截面混凝土開裂至縱筋屈服前，荷載－撓度曲線斜率隨著纖維布加固量的增加有明顯增大趨勢.加固梁跨中縱筋屈服后，由于CFRP布具有較高的彈性模量，CFRP布加固梁荷載－撓度曲線的斜率增長明顯，且直到破壞時(shí)的跨中撓度也遠(yuǎn)小于BFRP 布加固梁.

表4 試驗(yàn)結(jié)果和破壞模式Tab.4 Test results and failure modes

圖9 各試件荷載—跨中撓度曲線Fig.9 Load－displacement curve at mid－span

2.5 混凝土和纖維應(yīng)變

圖10，11為各試件跨中，中支座截面受壓區(qū)混凝土壓應(yīng)變－荷載關(guān)系曲線.中支座截面混凝土壓應(yīng)變均大于跨中板面混凝土壓應(yīng)變，跨中板面混凝土壓應(yīng)變均不超過1 000×10－6，樓板參與了受壓.混凝土壓應(yīng)變－荷載關(guān)系曲線趨勢表明：因中支座處混凝土受壓區(qū)面積較小，梁頂縱筋屈服后，受壓區(qū)高度隨著荷載增加迅速，受壓區(qū)混凝土較快達(dá)到了極限應(yīng)變.當(dāng)跨中截面加固量較大時(shí)，梁整體剛度較大，限制了中支座和跨中截面的轉(zhuǎn)動(dòng)，中支座處混凝土板面纖維布、梁頂鋼筋及板鋼筋共同參與受拉，因而中支座截面受壓區(qū)混凝土保持相對較大的應(yīng)變值.

圖10 跨中截面混凝土壓應(yīng)變—荷載曲線Fig.10 Load－concrete strain curve at mid－span

圖11 中支座截面混凝土壓應(yīng)變—荷載曲線Fig.11 Load－concrete strain curve at middle－support

圖12，13給出了各試件跨中和中支座截面纖維布拉應(yīng)變－荷載曲線.跨中縱筋屈服前，主要由混凝土和鋼筋共同受彎，當(dāng)縱筋屈服后，纖維布較大程度地參與承擔(dān)彎矩，中支座轉(zhuǎn)動(dòng)幅度增大，因而跨中截面達(dá)到屈服荷載時(shí)，跨中截面和中支座截面纖維布拉應(yīng)變增長速率也呈增加趨勢.

圖12 跨中截面纖維拉應(yīng)變—荷載曲線Fig.12 Load－FRP strain curve at mid－span

圖13 中支座板面纖維拉應(yīng)變—荷載曲線Fig.13 Load－FRP strain curve at middle－support

中支座板面纖維拉應(yīng)變－荷載曲線總體趨勢表明：隨著跨中截面纖維加固量的增加，加固梁整體剛度增大，中支座相對轉(zhuǎn)動(dòng)幅度較小，纖維拉應(yīng)變隨荷載增長速率減小.試驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，中支座板面開裂后易發(fā)生纖維與混凝土面層剝離現(xiàn)象，實(shí)際工程中，應(yīng)加強(qiáng)此處纖維布的錨固措施.

2.6 BFRP布抗彎加固允許拉應(yīng)變

BFRP布加固混凝土梁時(shí)，應(yīng)保證BFRP 布具有一定的安全儲(chǔ)備，BFRP 布的允許拉應(yīng)變值對加固設(shè)計(jì)尤為重要.國內(nèi)外頒布的加固規(guī)范、規(guī)程［12－15］中都有關(guān)于如何確定纖維布允許拉應(yīng)變限值的規(guī)定.文獻(xiàn)［15］中對纖維布允許拉應(yīng)變［εf］的取值做了較詳細(xì)的規(guī)定：

式中：εfu為極限拉應(yīng)變設(shè)計(jì)值為廠商提供的極限拉應(yīng)變；CE為環(huán)境折減系數(shù)；φ為設(shè)計(jì)公式中的延性折減系數(shù)；Ψf為強(qiáng)度折減系數(shù)；κm為受彎構(gòu)件考慮粘結(jié)的折減系數(shù)，即纖維片材厚度折減系數(shù).

常用的碳纖維片材的彈性模量在120～250 GPa之間［15－16］，粘貼1～4 層，單層厚度為0.111～0.167mm，根據(jù)美國混凝土學(xué)會(huì)對碳纖維布允許拉應(yīng)變的限值公式經(jīng)過計(jì)算得到

式中：［εcf］為碳纖維布允許拉應(yīng)變.

本試驗(yàn)采用的BFRP布廠商提供的極限拉應(yīng)力為2 100 MPa，極限拉應(yīng)變約為23 000×10－6.而試驗(yàn)時(shí)，BFRP 布斷裂時(shí)平均拉應(yīng)變約為16 500×10－6，因而對極限拉應(yīng)變進(jìn)行折減，得到BFRP布允許拉應(yīng)變

式中：［εbf］為BFRP布允許拉應(yīng)變?yōu)閺S商提供的BFRP布極限拉應(yīng)變；κb為BFRP 布極限拉應(yīng)變折減系數(shù).

2.7 加固梁跨中截面抗彎承載力計(jì)算

文中試驗(yàn)梁均為一般混凝土受彎構(gòu)件，對粘貼1～3層BFRP 布的加固梁（破壞模式為鋼筋屈服后，纖維布拉斷）的跨中截面抗彎承載力進(jìn)行簡化計(jì)算.由表5中的數(shù)據(jù)可知，跨中截面計(jì)算值與實(shí)測值較接近，且計(jì)算值有一定的安全儲(chǔ)備.結(jié)合上述計(jì)算結(jié)果、已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)并參考各規(guī)范、規(guī)程中關(guān)于纖維復(fù)合材料允許拉應(yīng)變限值的規(guī)定，BFRP 布在一般環(huán)境中抗彎加固的極限拉應(yīng)變折減系數(shù)κb可取0.50，并建議國產(chǎn)BFRP布加固混凝土受彎構(gòu)件，對于重要構(gòu)件的允許拉應(yīng)變［εbf］不超過0.007，對于一般構(gòu)件不超過0.01.

表5 跨中截面抗彎承載力計(jì)算值和試驗(yàn)值Tab.5 Calculated values and test values of flexural capacity at mid－span

3 結(jié)論

對7根采用BFRP布與CFRP布分別加固的T形截面混凝土連續(xù)梁和1根對比梁進(jìn)行抗彎試驗(yàn)研究，并對BFRP 布加固梁跨中截面抗彎承載力進(jìn)行計(jì)算分析后，得到以下結(jié)論：

（1）對發(fā)生彎曲破壞的加固梁，跨中縱筋屈服后，中支座處梁頂縱筋屈服繼而混凝土壓壞，形成塑性鉸.隨后，跨中截面纖維布斷裂，破壞過程具有明顯征兆.對于發(fā)生混凝土受壓破壞的梁，U 型箍、梁底纖維布、混凝土保護(hù)層一起發(fā)生剝離，縱筋和箍筋外露，脆性破壞特征明顯.

（2）BFRP布加固混凝土梁的屈服荷載、極限荷載均有不同程度的提高：中支座截面屈服荷載提高幅度為30.0%～50.0%，跨中截面屈服荷載提高幅度為5.9%～17.6%，極限承載力最大提高幅度為26.7%；而CFRP 布加固梁的提高幅度分別為50.0%～56.3%，11.8%～38.8%和37.5%.相比之下，CFRP布加固能更大程度地提高連續(xù)梁的抗彎承載力.

（3）參考現(xiàn)有規(guī)范、規(guī)程及本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建議國產(chǎn)BFRP布加固混凝土受彎構(gòu)件的允許拉應(yīng)變?nèi)S商提供的極限拉應(yīng)變值的0.5倍，且對于重要構(gòu)件不超過0.007，對于一般構(gòu)件不超過0.01.以此為依據(jù)，對本試驗(yàn)中BFRP 布加固梁跨中截面承載力進(jìn)行計(jì)算，得到的承載力設(shè)計(jì)值具有一定的安全儲(chǔ)備.

（4）實(shí)際工程中，對混凝土構(gòu)件抗彎承載力提高幅度要求不高且要求較好延性、耐腐蝕性的情況下，玄武巖纖維復(fù)合材料可混雜或替代玻璃纖維和碳纖維復(fù)合材料使用.

［1］ 歐陽利軍，丁斌，陸洲導(dǎo).玄武巖纖維及其在建筑結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用研究進(jìn)展［J］.玻璃鋼／復(fù)合材料，2010（3）：84.OUYANG Lijun，DING Bin，LU Zhoudao.BFRP and its application review in structural strengthening ［J］. Fiber Reinforced Plastics／Composites，2010（3）：84.

［2］ Sim J，Park C，Moon DY.Characterstics of basalt fiber as a strengthening material for concrete structures［J］.Composites：Part B，2005，36（6／7）：504.

［3］ WEI Bin， CAO Hailin， SONG Shenhua. Environmental resistance and mechanical performance of basalt and glass fibers［J］.Materials Science and Engineering，2010，527（18／19）：4708.

［4］ Lopresto V，Leone C，De Iorio I.Mechanical characterisation of basalt fiber reinforced plastic［J］.Composites：Part B，2011，42（4）：717.

［5］ 藺建廷.BFRP加固鋼筋混凝土梁抗彎性能的試驗(yàn)研究［D］.大連：大連理工大學(xué)土木工程學(xué)院，2009.LIN Jianting.Experimental research of reinforced concrete beams strengthened with basalt fiber polymer［D］.Dalian：College of Civil Engineering of Dalian University of Technology，2009.

［6］ 姚允武.碳纖維加固鋼筋混凝土連續(xù)梁結(jié)構(gòu)的理論與試驗(yàn)研究［D］.長春：吉林大學(xué)交通學(xué)院，2009.YAO Yunwu.Theoretical and experimental study of reinforced concrete continuous beam with CFRP［D］.Changchun：College of Traffic，Jilin University，2009.

［7］ Yang KH，Byun HY，Ashour A F.Shear strengthening of continuous reinforced concrete T－beams using wire rope units［J］.Engineering Structures，2009，31（5）：1154.

［8］ Mostafa EM，Amr ER，Ehab ES.Flexural behavior of continuous FRP—reinforced concrete beams［J］.Journal of Composites for Construction，2010，14（6）：669.

［9］ Habeeb MN，Ashour AF.Flexural behavior of continuous GFRP reinforced concrete beams［J］.Journal of Composites for Construction，2008，12（2）：115.

［10］ El－Refaie SA，Ashour AF，Garrity SW.Sagging and hogging strengthening of continuous reinforced concrete beams using carbon fiber reinforced polymer sheets［J］.ACI Structural Journal，2003，100（4）：446.

［11］ Akbarzadeh H，Maghsoudi AA.Experimental and analytical investigation of reinforced high strength concrete continuous beams strengthened with fiber reinforced polymer［J］.Materials＆Design，2010，31（3）：1130.

［12］ 中華人民共和國建設(shè)部.GB50367—2006混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006.Ministry of Construction of PR China.GB50367－2006，Design code for strengthening concrete structure［S］.Beijing：China Architecture and Building Press，2006.

［13］ 中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì).CECS146—2003碳纖維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.北京：中國計(jì)劃出版社，2003.China Engineering Construction Standardization Association.CECS146－2003 Technical specification for strengthening concrete structures with carbon fiber reinforce polymer laminate［S］.Beijing：Chinese Planning Press，2003.

［14］ 上海市建筑科學(xué)研究院.DG／TJ08－20012—2002 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.上海：上海市建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化辦公室，2002.Shanghai Construction and Scientific Research Institute.DG／TJ08－20012－2002 Technical code for strengthening concrete structure with fiber reinforced polymer［S］.Shanghai：Shanghai Construction Standardization Office，2002.

［15］ ACI Committee 440.ACI440.2R－02 Guide for the design and construction of externally bonded FRP systems for strengthening concrete structures［S］.Farmington Hills：American Concrete Institute，2002.

［16］ 滕錦光，陳建飛，史密斯S T.FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.TENG Jinguang，CHEN Jianfei，Smith S T.FRP strengthened RC structures［M］.Beijing：China Architecture ＆Building Press，2005.