第２０卷第５期 ２０１ ３年１０月 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＤＯＮＧＧＵＡＮ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ 东莞理工学院学报 Ｖ０１．２０ Ｎｏ．５ ０ｅｔ． ２０１３ ＦＲＰ筋纤维混凝土受弯构件试验研究 熊明权（东莞理工学院邱振清郑愚 周日瑜 ５２３８０８） 建筑工程系，广东东莞摘要：现有采用ＦＲＰ的受弯构件中，ＦＲＰ作为主要纵向受拉材料，用量通常较大。这造成ＦＲＰ筋混凝土 构件成本较高，同时还因构件刚度不够导致其变形而非承载力成为设计的控制因素。为了充分发挥ＦＲＰ材料 良好的抗拉性能，建立了ＦＲＰ筋纤维混凝土受弯构件。通过结构试验的方法研究纤维混凝土对ＦＲＰ筋混凝土 受弯构件延性及变形能力的影响。试验结果表明，纤维的增加能够有效提高ＦＲＰ筋受弯构件的变形能力，解 决了过去ＦＲＰ筋受弯构件延性差导致配筋率过高的问题。基于ＦＲＰ筋与钢筋材料上的差异，针对ＦＲＰ筋混凝 土构件建立了相应的延性设计指标。采用该指标对纤维混凝土构件进行分析后发现，随着纤维含量的增加， ＦＲＰ筋混凝土受弯构件的延性有着明显提高。 关键词：ＦＲＰ；纤维混凝土；受弯构件；延性 中图分类号ｉ ＴＵ３７５．２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００９—０３１２（２０１３）０５—００９１—０６ 目前在桥梁、建筑等工程结构领域中普遍使用的梁构件包括钢筋混凝土梁和钢梁。这两种梁构件耐 腐蚀性均较差，在野外、沿海或潮湿地等恶劣环境中容易腐蚀和退化 ］。为了解决全世界范围内建筑、 桥梁结构的耐久性和退化问题，纤维增强聚合物（ｆｉｂｒｅ—ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｐｏｌｙｍｅｒ，ＦＲＰ）复合材料在近年来得 到越来越广泛的应用 。ＦＲＰ是一种由碳纤维、玻璃纤维和玄武岩纤维等高性能纤维与树脂基体混合， 经过一定的加工工艺复合而成的新型非金属材料。ＦＲＰ具有很强的耐腐蚀能力，同时还具有轻质、高 强、成型方便等优点。现有的各种采用ＦＲＰ的梁构件包括：ａ）全ＦＲＰ梁（以下称为第１型梁），该类 型梁通常具有与钢梁类似的外形（例如工字型或箱型）；ｂ）ＦＲＰ与混凝土的组合梁，包括ＦＲＰ筋混凝 土梁、由受拉ＦＲＰ型材和浇筑于其上的受压混凝土层组合而成的组合梁、以及ＦＲＰ管混凝土梁（以下 分别称为第１Ｉ型梁、第１ＩＩ型梁、和第１Ｖ型梁）。以上梁构件中ＦＲＰ作为主要的纵向受力材料，用量通 常较大，从而导致梁构件成本较高，同时还常因构件刚度不够导致其变形而非承载力成为设计的控制因 素；另外，这些梁构件还因ＦＲＰ材料的脆性而导致构件延性较差 ］。 在前期对ＦＲＰ筋整体桥面结构的研究中发现，整体的非金属混凝土桥梁结构的支撑梁构件容易受 到ＦＲＰ筋材弹性模量低和脆弹性的影响，从而降低了整体桥梁结构的工作性能。这是由于ＧＦＲＰ筋受 拉的应力应变表现近似线弹性，与钢筋存在屈服点不同，其破坏十分突然。在混凝土构件中，混凝土压 碎破坏要比ＧＦＲＰ筋拉断破坏具有更好的延性。因此现行的ＧＦＲＰ筋混凝土设计规范 通过增加受拉 区的配筋率来保证受压区混凝土的破坏发生在筋材断裂之前。在这样的条件下，导致了支撑梁构件内的 配筋率过高提高了建造成本，而且混凝土材料本身的材料特性并无法有效改善ＧＦＲＰ筋混凝土结构的延 性。。 。过去的研究表明，在混凝土结构搅拌中加入纤维材料，如聚丙纤维、玻璃纤维或钢纤维，将能 有效地提高混凝土结构自身的延性。因此将纤维混凝土应用于ＦＲＰ筋支撑梁结构中，将能在保证结构 承载性能和经济性能的同时，有效地解决传统ＦＲＰ筋混凝土支撑梁构件延性较差的问题。为了保证混 凝土搅拌式纤维材料对搅拌机械的破坏和提高结构的耐锈蚀能力，本次研究采用市场上通用聚丙乙烯纤 维作为搅拌材料。 为了研究纤维混凝土对ＦＲＰ筋混凝土受弯构件结构性能的作用，本文对该结构构件进行四点抗弯 收稿日期：２ｏ１３—０４一ｌＯ 基金项目：广东省交通厅科技计划（２０１１—０２—０４０）；广东省大学生创新实验项目（１１８１９１２０３１）。 作者简介：熊明权（１９８９一），男，广东茂名人，主要从事复合材料方面的研究。 通讯作者：郑愚（１９７８一），男，广东汕头人，副教授，博士，主要从事结构耐久性，结构数值模拟，复合材料方面的研究。 第５期 熊明权，等：ＦＲＰ筋纤维混凝土受弯构件试验研究 ９５ ２．２荷载位移曲线及承载力 如图８所示，所有的简支受弯构件在达到开裂荷载前，所有荷载位移曲线基本一致。此时，所有 ＧＦＲＰ筋梁与钢筋构件的位移表现相似，因为结构的刚度主要由混凝土梁截面决定。开裂荷载后钢筋屈 服前，ＧＦＲＰ筋构件的位移发展速度约为钢筋构件的２．５～３．５倍。破坏时，钢筋混凝土受弯构件的变 形约为ＦＲＰ筋构件的三分之一。这是因为受弯构件的刚度由截面混凝土和筋材共同提供，而钢筋的弹 性模量是ＧＦＲＰ筋的约５倍，钢筋混凝土梁刚度大于ＧＦＲＰ筋构件。然而随着纤维混凝土的使用，ＦＲＰ 筋混凝土梁的变形能力有着显著地提高。如图８所示，纤维含量从０．９％增加至１．５％后，结构破坏时 跨中竖向变形减小超过５０％。这表明纤维混凝土的使用，能够有效提高传统ＦＲＰ筋混凝土梁的变形和 延性。当ＦＲＰ筋混凝土受弯构件配筋率较低时，结构并不因为变形能力差而破坏。 如表１所示，钢筋和ＦＲＰ筋混凝土受弯构件的承载能力基本一致，纤维混凝土的使用并不能有效 提高结构的承载性能。这是因为混凝土受弯构件的承载能力基本是由混凝土截面刚度和混凝土材料强度 决定的。 １ＯＯ ８０ ６Ｏ Ｚ 蓬４０ ２Ｏ Ｏ ０ ５ ｌＯ ＋＋＋—无纤维含量Ｆ 憾混凝土梁 ０ ９％纤维含量ＦＲＰ筋混凝土梁 １ ２％纤维含量ＦＲＰ筋混凝土梁 ｌ ５％纤维含量ＦＲＰ筋混凝土梁 ＊一无纤维含量钢筋混凝土梁 １５ ２Ｏ ２５ ３Ｏ 褥 牲 暑 跨中竖向位移／ｍｍ 图８荷载位移曲线 跨中位移／ａｒｍ 图９受弯构件荷载位移曲线 ３ ＦＲＰ筋受弯构件延性研究 由于ＦＲＰ筋与钢筋具有屈服点的性能不同，传统的钢筋混凝土结构延性设计分析指标并不适用与 本文所建立的受弯构件。本文将采用Ｖｉｌａｙ和ＧａｎｇａＲａｏ在２００１年针对ＦＲＰ筋｝昆凝土受弯构件建立的分 析方法对该受弯构件延性进行研究 。如图９所示，通过分析试验和有限元结果中的荷载位移曲线，分 别计算出在常规使用荷载和极限荷载作用下的面积Ａ１和Ａ２。ＦＲＰ筋混凝土梁的延性将通过Ａ２和Ａ１ 的比值计算得出（Ａ２／Ａ１）。通过对试验结果进行分析表明，纤维混凝土的使用将能有效提高该非金属 筋材混凝土受弯构件的延性。如表３所示，当纤维含量从０％增加至１．５％，ＦＲＰ筋混凝土受弯构件的 延性提高了近２７７％。 表３ ＦＲＰ筋纤维混凝土延性分析 ４ 结语 本次研究通过采用聚丙乙烯纤维作为混凝土搅拌材料对ＦＲＰ筋混凝土受弯构件的工作性能进行了 试验研究。得出以下结论： １）ＦＲＰ筋代替钢筋成为混凝土梁的加强筋，结构极限承载力差别近１０％。但由于ＦＲＰ筋弹性模量 东莞理工学院学报 ２０１３正 只有钢筋的约１／５且没有屈服点，使ＦＲＰ筋混凝土受弯构件在破坏模式、裂缝开展和变形方面表现出 不同于钢筋混凝土结构的特性； ２）纤维混凝土的使用能够有效地提高ＦＲＰ筋混凝土受弯构件的变形能力和抗裂强度，并减小手受 弯构件裂缝宽度； ３）纤维含量的增加将能有效减小ＦＲＰ筋混凝土受弯构件的跨中变形，在一定程度上解决了ＦＲＰ筋 弹性模量低对结构构件工作性能的影响； ４）基于ＦＲＰ筋与钢筋的材料性能差异，建立了ＦＲＰ筋混凝土受弯构件延性设计指标。通过该指标 进行计算表明，纤维混凝土的使用能够有效提高ＦＲＰ筋混凝土受弯构件的延性，使其能够更好地应用 于实际工程。 参考文献 ［１］ 陈肇元．土建工程的安全性和耐久性［Ｍ］．北京：建筑工业出版社，２００２． ２００７（７）：１２—１５． ［２］ 梅葵花．ＦＲＰ筋的特点及在桥梁工程中的应用［Ｊ］．公路，Ｌｉ．Ｇｕｏｙｏｕ Ｙｕ．Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｂｅｈａｖｉｏｕｒｓ ｏｆＬａｔｅｒａｌｌｙ Ｒｅｓｔｒａｉｎｅｄ ＧＦＲＰ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｓｌａｂｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ［３］ Ｙｕ Ｚｈｅｎｇ．Ｃｈｕｎｈｏｎｇ ｏｆ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ Ｐａｒｔ Ｂ：Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１２，４３８（２）：１５８６—１５９７． ＳＩＳ Ｃａｎａｄａ．Ｒｅｉｎｆｏｒｃｉｎｇ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｗｉｔｈ ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｐｏｌｙｍｅｒｓ『Ｒ １．ＩＳＩＳ Ｍ０３～Ｏ１，Ｃａｎａｄｉａｎ Ｎｅｔｗｏｒｋ ｏｆ Ｃｅｎｔｅｒｓ ｏｆ Ｅｘｃｅｌｌｅｎｃｅ ｏｎ ［４］ ＩＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｓｅｎｓｉｎｇ ｆｏｒ Ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｗｉｎｎｉｐｅｇ，Ｍａｎｉｔｏｂａ，Ｗｉｎｎｉｐｅｇ，Ｃａｎａｄａ．，２００１． ［５］ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ．Ｇｕｉｄｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｗｉｔｈ ＦＲＰ ｂａｒｓ［Ｒ］．ＡＣＩ ４４０．１Ｒ一０３，Ｆａｒｍｉｎｇｔｏｎ Ｈｉｌｌｓ，Ｍｉｅｈ，２００３． ［６］ 郑愚，李春红，秦怀泉．对ＧＦＲＰ筋混凝土桥梁面板中压缩薄膜效应的研究［Ｊ］．世界桥梁，２０１１，１４９（１）：５９—６４． Ｊ Ｇ，Ｃｈｅｎ Ｊ Ｆ．Ｆｉｎｉｔｅ—Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ Ｃｒａｃｋ Ｄｅｂｏｕｄｉｎｇ ｉｎ ＦＲＰ—Ｐｌａｔｅｄ ＲＣ Ｂｅａｍｓ，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ［７］ Ｃｈｅｎ Ｇ Ｍ，Ｔｅｎｇ ｆｏｒ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，２０１１，１５（３）：３３９—３５３． ［８］ 陈剑．ＧＦＲＰ筋与纤维混凝土粘结滑移试验研究［Ｄ］．大连：大连理工大学，２００７． ｊａｙ Ｐ，ＧａｎｇａＲａｏ Ｖ．Ｂｅｎｄｉｎｇ Ｂｅｈａｖｉｏｒ ａｎｄ Ｄｅｆｏｒｍａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｇｌａｓｓ Ｆｉｂｅｒ－Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｒｅｉｆｏｒｃｅｄ Ｃｏｎｃｒｅｔｎｅ Ｍｅｍｂｅｒｓ［Ｊ］．ＡＣＩ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ［９］ ＶｉＪｏｕｒｎａｌ，２００１，９８（６）：８３４—８４２． Ａｎ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｆｌｅｘｕｒａｌ Ｂｅｈａｖｉｏｕｒ ｏｆ ＦＲＰ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ ＦｌｅｘｕｒａＩ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ＸＩＯＮＧ Ｍｉｎｇ—ｑｕａｎ ＱＩＵ Ｚｈｅｎ－ｑｉｎｇ ＺＨＥＮＧ Ｙｕ ＺＨＯＵ Ｒｉ－ｙｕ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｄｏｎｇｇｕａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｄｏｎｇｇｕａｎ ５２３８０８，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｉｎ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ＦＲＰ ｆｌｅｘｕｒａｌ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，ＦＲＰ ｉｓ ｕｓｅｄ ａｓ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｔｅｎｓｉｌｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｗｉｔｈ ｌａｒｇｅ ｑｕａｎｔｉｔｙ．Ｔｈｅｒｅ— ｆｏｒｅ，ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｃｏｓｔ ｉｓ ｈｕｇｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｂｙ ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｂｕｔ ｎｏｔ ｂｙ ｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｄｕｅ ｔｏ ｌｏｗ ｓｔｉｆｆ－ ｎｅｓｓ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ，ｆｉｂｅｒ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｗｉｌｌ ｂｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｏ ＦＲＰ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｂｅａｍｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｉｇｈ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｒｅｉｆｏｒｃｉｎｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｅｅｓ ｏｆ ｆｉｂｅｒｓ ｏｎ ｄｕｃｔｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ＦＲＰ ｒｅｉｆｏｒｎｃｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｆｌｅｘｕｒａｌ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｉＳ ｉｎ— ｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｂｙ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｌ ｔａｅｓｔｓ．Ｉｔ ｔｕｒｎｓ ｏｕｔ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｏｆ ｆｉｂｅｒｓ ｉｎ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｍａｔｅｒｉｌｓａ ｃａｎ ｅｎｈａｎｃｅ ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ＦＲＰ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｂｅａｍｓ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｈｉｇｈ ｒｅｉｆｏｒｃｅｍｅｎｔｎ ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅｓ ｉｎ ＦＲＰ ｒｅｉｆｏｒｃｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｎｅ ｆｉｅｘｕｒａｌ ｃｏｍｐｏ— ｎｅｎｔｓ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｌＯＷ ｓｔｕｃｔｒｕｒａｌ ｄｕｃｔｉｌｉｔｙ．Ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ＦＲＰ ａｎｄ ｓｔｅｅ１．ｄｕｃｔｉｌｉｔｙ ｆａｃｔｏｒ ｆｏｒ ＦＲＰ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｏｎ— ｃｒｅｔｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｗｉｔｈ ｔｈｉｓ ｄｕｃｔｉｌｉｔｙ ｆａｃｔｏｒ，ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｏｆ ｆｉｂｅｒ ｑｕａｎｔｉｔｙ ｃａｎ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｄｕｃｔｉｌｉｔｙ ｏｆ ＦＲＰ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｆｌｅｘｕｒａｌ ｅｌｅｍｅｎｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ＦＲＰ；ｆｉｂｅｒ ｃｏｎｃｒｅｔｅ；ｆｌｅｘｕｒａｌ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ；ｄｕｃｔｉｌｉｔｙ