B-FRPB混凝土梁及B-SFCB混凝土梁的受剪性能研究

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随着社会经济的快速发展,建筑外观及功能需求不断升级,建筑材料的创新则是维持这种升级需求与结构安全间平衡关系的重要技术手段。钢筋混凝土材料作为当今世界的主要建材,存世已逾百年,其保持长盛不衰的重要秘诀是“促成了筋材和混凝土的优势力学性能互补”。就筋材而言,纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer简称FRP)的出现为进一步提升筋材的单一力学性能优势提供了可能。目前,通过FRP材料提升筋材性能的成品工艺主要包含两种,一是纤维缠绕增强成筋工艺,二是纤维包覆增强成筋工艺。前者以聚合物树脂为基体相,通过“纤维增强相材料与基体材料的相互缠绕”成型,制备所得筋材为纤维增强复合筋(Fiber Reinforced Polymer bar简称FRPB);后者以普通钢筋为基体相,通过将“纤维增强相材料包覆于基体材料外表面”成型,制备所得筋材为钢—纤维增强复合筋(Steel-Fiber Composite Bar简称SFCB)。工程中常见的纤维增强相材料有碳纤维(C)、玻璃纤维(G)、芳纶纤维(A)和玄武岩纤维(B)。本文主要研究对象为“以玄武岩纤维(B)为纤维增强相材料,分别按照上述两种工艺成型的玄武岩纤维增强复合筋(Basalt Fiber Reinforced Polymer Bar,简称:B-FRPB)以及钢—玄武岩纤维增强复合筋(Steel-Basalt Fiber Composite Bar简称:B-SFCB)”。选择玄武岩纤维作为增强相材料的主要考量有二:一是针对玄武岩纤维增强相材料的研究相对较少,存在的可供讨论的技术盲点较多;二是因玄武岩与水泥基材料的天然亲和力,环境无害性以及经济性带来的巨大工程应用前景。FRPB在带来抗拉强度提升的同时,材料屈服台阶基本消失,伸长率限值降低,材料延性大大打折扣,这不利于结构构件的延性设计。对混凝土梁这类典型的受弯构件而言,使用FRPB替代同等截面普通纵向受力钢筋后,构件的正截面承载力将显著增大,而FRPB大规模应用于横向钢筋的技术条件仍不成立(主因是FRPB的弯折工艺不成熟),这不利于构件“强剪弱弯”的实现。更为致命的是,与《混凝土结构设计规范》不同,FRPB构件设计的相关中国、欧洲、北美国家规范中(上述规范以FRPB为研究对象但未区分不同增强相材料的计算差异,而SFCB的相关规范仍为空白),已明确指出FRPB的存在会削弱构件的斜截面承载力,这增加了构件“强剪弱弯”的设计难度。本文为进一步细化B-FRPB与B-SFCB纵筋梁构件的斜截面承载力计算并填补相关研究空白,设计了一系列具有参照意义的破坏试验。在试件制作方面,本文采用了低配箍率(0.19%、0.38%两种)、高配筋率(1.13%、1.69%、2.25%、2.71%、3.64%五种)、多种剪跨比(0.61、0.91、1.52、2.00、2.50、3.00六种)的变参数设计思路,其主要目的有二:一是确保能够激发构件的剪切破坏,以便研究其斜截面承载力;二是通过参数变化及其对照结论讨论上述参数对构件斜截面承载力的影响。试验结果表明,B-FRPB纵筋梁受剪承载能力与剪切延性性能均不及钢筋纵筋梁,且施加荷载相近时,B-FRPB纵筋梁会产生更加宽长的斜裂缝。而采用玄武岩纤维材料包裹钢筋制成B-SFCB作为受拉纵筋后,B-SFCB保持了B-FRPB高强度特点,且相对于B-FRPB梁在受剪承载能力与剪切延性性能方面均有所改善,也增强了抑制斜裂缝开展的能力。本文将新型筋材设置为受拉纵筋,受拉纵筋则主要通过销栓作用参与梁构件的受剪承载。对纵筋的销栓力进行了计算,基于销栓力计算结果给出了B-FRPB与B-SFCB梁受剪承载计算式,又尝试从受剪机理角度出发,基于桁架拱模型以及着重考虑纵筋销栓抗剪贡献的极限平衡理论对受剪承载力计算式进行了推导。最后结合试验数据对推导式进行验证,发现推导式用于B-FRPB与B-SFCB纵筋梁的受剪承载力计算时具有较好的安全性与适用性,可为后续的FRPB与SFCB在混凝土梁中的应用研究提供一定的参考价值。
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