CN111168809A - 一种通过优化带肋frp筋实现混凝土梁构件抗裂的方法 - Google Patents

一种通过优化带肋frp筋实现混凝土梁构件抗裂的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种通过优化带肋FRP筋实现混凝土梁构件抗裂的方法，包括优化、制作梁模板、组装混配筋笼和成型，采用FRP筋和钢筋混合配筋增强混凝土梁构件，相比于单一钢筋配筋，充分利用了FRP筋高抗拉强度、耐腐蚀以及普通钢筋延性较好的特点，相互补充，改善了FRP筋混凝土受弯构件挠度、裂缝宽度较大和延性不足的缺点，并将FRP筋配置在混凝土梁构件易被腐蚀的边角区，解决钢筋混凝土梁构件因为钢筋锈蚀问题和FRP筋混凝土梁构件挠度大、裂缝宽和脆性破坏的缺点，且对FRP筋进行优化，解决了普通带肋FRP筋与混凝土的粘结应力小，粘结滑移性能差，不能有效控制裂缝宽度，位于内侧的钢筋仍易受腐蚀的问题，且施工方法灵活，既可工厂预制，亦可现场浇筑。

Description

一种通过优化带肋FRP筋实现混凝土梁构件抗裂的方法
技术领域
本发明涉及土木结构工程技术领域，具体为一种通过优化带肋FRP筋实现 混凝土梁构件抗裂的方法置。
背景技术
目前，在海洋、潮湿和盐碱地等恶劣环境下，桥梁结构正在面临一个重大 的问题，那就是钢筋腐蚀，钢筋腐蚀，是混凝土箱梁、混凝土桥墩、混凝土桩 等混凝土构件在恶劣环境下劣化的主要原因，而纤维增强复合材料(FRP)具有 轻质、高强、耐腐蚀和耐疲劳等优点，在土木工程领域中得到了越来越多的关 注，同时，由于FRP筋弹性模量较低，FRP筋混凝土梁表现出更大的变形，并且 裂缝宽度大，裂缝间距相对较大，裂缝数目少，其配筋设计常常由正常使用极 限状态控制，故FRP筋的强度不能充分发挥，并且FRP筋混凝土梁在受弯状态 下的破坏模式为脆性破坏，没有塑性变形阶段，延性较差，延伸率较低，破坏 前没有明显变形预兆，所以急需一种通过优化带肋FRP筋实现混凝土梁构件抗 裂的方法来解决上述问题。
发明内容
本发明针对普通钢筋混凝土梁构件在恶劣环境下易腐蚀，全FRP筋结构挠 度大、裂缝宽的问题，提供一种通过优化带肋FRP筋实现混凝土梁构件抗裂的 方法，具有良好的粘结滑移性能，可有效控制裂缝宽度，缩小钢筋保护层厚度 和提高钢筋强度利用效率。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种通过优化带肋FRP筋实 现混凝土梁构件抗裂的方法，包括如下具体步骤：
S1、优化：通过黏结-滑移性能试验获取优化的带肋FRP筋；
S2、制作梁模板：根据梁形状设计制作梁模板；
S3、组装混配筋笼：通过优化带肋FRP和钢筋搭配在梁模板上绑扎，制成 混配筋笼；
S4、成型：向混配筋笼内部浇筑混凝土，振捣密实，制成混凝土梁构件。
优选的，所述步骤S1中，FRP筋包括BFRP筋、CFRP筋、GFRP筋、AFRP筋 和SFCB筋，优化的带肋FRP筋型号包括深肋型、肋距较大的单向缠绕肋型、肋 距较小的单向缠绕肋型和交叉缠绕肋型。
优选的，所述步骤S3中，混配筋笼包括下部纵筋、上部纵筋、腰筋、箍筋、 下部拉筋、上部拉筋和中部拉筋，且下部纵筋分为近梁底层下部纵筋和非近梁 底层下部纵筋，其中近梁底层下部纵筋、下部拉筋、箍筋均为优化带肋FRP筋， 所述非近梁底层下部纵筋、上部纵筋、腰筋、上部拉筋、中部拉筋均为普通钢 筋。
优选的，所述步骤S3中混配筋笼的截面为矩形截面时，下部纵筋、上部纵 筋均绑扎在箍筋内侧，腰筋通过中部拉筋拉结后，固定在箍筋内侧中部。
优选的，所述步骤S3中混配筋笼的截面为T形截面或倒T形截面，T形截 面所述混配筋笼绑扎时，将上部纵筋内侧的钢筋先绑扎在箍筋内，再采用上部 拉筋将上部纵筋两侧的钢筋拉结在一起后与上部纵筋内侧钢筋及箍筋绑扎，倒T 形截面所述混配筋笼绑扎时，将下部纵筋内侧的钢筋先绑扎在箍筋内，再采用 下部拉筋将下部纵筋两侧的钢筋拉结在一起后与下部纵筋内侧钢筋及箍筋绑 扎。
优选的，所述步骤S3中混配筋笼的截面为I形截面，I形截面所述混配筋 笼绑扎时，I形截面下部纵筋两侧的钢筋拉结在一起后与下部纵筋内侧钢筋及箍 筋绑扎，I形截面上部纵筋内侧的钢筋先绑扎在箍筋内，再采用上部拉筋将上部 纵筋两侧的钢筋拉结在一起后与上部纵筋内侧钢筋及箍筋绑扎。
优选的，所述步骤S3中混配筋笼的截面为环形截面时，箍筋为一种环形箍 筋，下部纵筋和上部纵筋均匀绑扎在环形箍筋内。
优选的，所述步骤S3中绑扎材料为金属扎丝或尼龙扎带或两种配合使用。
优选的，所述步骤S4中，混凝土包括普通混凝土、水泥基纤维增强材料和 超高性能混凝土。
优选的，所述步骤S4中，混凝土梁构件为变截面梁或等截面梁。
与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明结构科学合理，使用安全方 便，采用FRP筋和钢筋混合配筋增强混凝土梁构件，相比于单一钢筋配筋，充 分利用了FRP筋高抗拉强度、耐腐蚀以及普通钢筋延性较好的特点，相互补充， 改善了FRP筋混凝土受弯构件挠度、裂缝宽度较大和延性不足的缺点，并将FRP 筋配置在混凝土梁构件易被腐蚀的边角区，解决钢筋混凝土梁构件因为钢筋锈 蚀问题和FRP筋混凝土梁构件挠度大、裂缝宽和脆性破坏的缺点，且对FRP筋 进行优化，解决了普通带肋FRP筋与混凝土的粘结应力小，粘结滑移性能差， 不能有效控制裂缝宽度，位于内侧的钢筋仍易受腐蚀的问题，且本方法施工方 法灵活，既可工厂预制，亦可现场浇筑。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发 明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
在附图中：
图1是本发明混凝土梁构件抗裂的方法的流程框图；
图2是本发明混凝土梁构件抗裂的方法的矩形截面梁的结构示意图；
图3是本发明混凝土梁构件抗裂的方法的T形截面梁的结构示意图；
图4是本发明混凝土梁构件抗裂的方法的I形截面梁的结构示意图；
图5是本发明混凝土梁构件抗裂的方法的环形截面梁的结构示意图；
图6是本发明黏结滑移试验结果图；
图7是本发明黏结滑移模型图；
图8是本发明黏结-滑移曲线图；
图9是本发明混凝土梁构件抗裂的方法的原理说明图；
图中标号：1、下部纵筋；101、近梁底层下部纵筋；102、非近梁底层下部 纵筋；2、上部纵筋；3、腰筋；4、箍筋；5、混凝土；6、环形箍筋；7、下部 拉筋；8、上部拉筋；9、中部拉筋。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的 优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种通过优化带肋FRP筋实现混凝土梁构件抗裂的方法，包 括如下具体步骤：
S1、优化：通过黏结-滑移性能试验获取优化的带肋FRP筋；
S2、制作梁模板：根据梁形状设计制作梁模板；
S3、组装混配筋笼：通过优化带肋FRP和钢筋搭配在梁模板上绑扎，制成 混配筋笼；
S4、成型：向混配筋笼内部浇筑混凝土，振捣密实，制成混凝土梁构件。
其中，步骤S3中，混配筋笼包括下部纵筋1、上部纵筋2、腰筋3、箍筋4、 下部拉筋7、上部拉筋8和中部拉筋9，且下部纵筋分为近梁底层下部纵筋101 和非近梁底层下部纵筋102，其中近梁底层下部纵筋101、下部拉筋7、箍筋4 均为优化带肋FRP筋，非近梁底层下部纵筋102、上部纵筋2、腰筋3、上部拉 筋8、中部拉筋9均为普通钢筋，绑扎材料为金属扎丝或尼龙扎带或两种配合使 用，步骤S4中，混凝土包括普通混凝土、水泥基纤维增强材料和超高性能混凝 土，混凝土梁构件为变截面梁或等截面梁。
实施例1，如图2所示，步骤S3中混配筋笼的截面为矩形截面，包括近梁 底层下部纵筋101、箍筋4采用优化带肋FRP筋，非近梁底层下部纵筋102、上 部纵筋2、腰筋3、中部拉筋9均可采用普通钢筋，下部纵筋1、上部纵筋2均 绑扎在箍筋4内侧，腰筋3通过中部拉筋9拉结后，固定在箍筋4内侧中部， 混配筋笼绑扎完毕后，放入预先制作好的模板里，浇筑混凝土5，振捣密实后进 行养护，其中，若梁截面高度小于450mm时，可以不用设置腰筋和中部拉筋。
实施例2，如图3所示，步骤S3中混配筋笼的截面为T形截面或倒T形截 面，两种T形截面腹板部分的钢筋配置均与实施例1的矩形截面一致，区别在 于，如图3a所示，T形截面混配筋笼绑扎时，将上部纵筋2内侧的钢筋先绑扎 在箍筋4内，再采用上部拉筋8将上部纵筋2两侧的钢筋拉结在一起后与上部 纵筋2内侧钢筋及箍筋4绑扎，如图3b所示，倒T形截面混配筋笼绑扎时，将 下部纵筋1内侧的钢筋先绑扎在箍筋4内，再采用下部拉筋7将下部纵筋1两 侧的钢筋拉结在一起后与下部纵筋1内侧钢筋及箍筋4绑扎。
实施例3，如图4所示，步骤S3中混配筋笼的截面为I形截面，I形截面 腹板部分的钢筋配置均与实施例1的矩形截面一致，区别在于，I形截面混配筋 笼绑扎时，I形截面下部纵筋1两侧的钢筋拉结在一起后与下部纵筋1内侧钢筋 及箍筋4绑扎，I形截面上部纵筋2内侧的钢筋先绑扎在箍筋4内，再采用上部 拉筋8将上部纵筋2两侧的钢筋拉结在一起后与上部纵筋2内侧钢筋及箍筋4 绑扎。
实施例4，如图5所示，包括下部纵筋1和箍筋4采用优化带肋FRP筋，其 中，箍筋4为一种环形箍筋6，上部纵筋采用钢筋，步骤S3中混配筋笼的截面 为环形截面时，下部纵筋和上部纵筋均匀绑扎在环形箍筋4内。
带肋FRP筋优化：
在步骤S1中，FRP筋包括BFRP筋、CFRP筋、GFRP筋、AFRP筋和SFCB筋， 优化的带肋FRP筋型号包括深肋型、肋距较大的单向缠绕肋型、肋距较小的单 向缠绕肋型和交叉缠绕肋型，如图6所示，经过黏结-滑移性能试验，并根据结 果绘制出如图7所示的BFRP筋-混凝土黏结滑移模型图，整理后得出黏结性能 参数表，如下所示：
Figure BDA0002345775760000061
从上表可以看出，优化BFRP筋不仅拥有稳定的黏结滑移性能，并且上升段 的黏结刚度与钢筋-混凝土接近；且优化BFRP筋的黏结强度也达到钢筋-混凝土 的水平，此外，由于BFRP筋的表面肋在发生滑移后未损伤黏结处的混凝土，所 以优化BFRP筋发生滑移后的黏结应力明显高于普通钢筋。
本优化中，采用深肋型带肋FRP筋进行拉拔试验，得出深肋型BFRP筋进行 拉拔试验结果表，如下所示：
序号 肋高度/内径 肋间距/内径 肋宽度/内径 峰值黏结强度/MPa 峰值点滑移/mm
1 0.08 0.75 0.2 10.28 2.20
2 0.08 1 0.2 15.11 3.35
3 0.08 1.5 0.2 5.56 2.26
4 0.08 0.75 0.3 12.94 3.77
5 0.08 1 0.3 17.25 4.45
6 0.08 1.5 0.3 8.37 3.23
7 0.08 1 0.25 18.32 4.81
8 0.1 1 0.25 26.81 5.89
9 0.07 1 0.25 13.12 2.89
对1,2,3或4,5,6进行对比可知，肋间距对峰值黏结强度的影响比较显著， 不同肋宽度峰值黏结强度随肋间距的变化趋势基本吻合，随着肋间距的增大均 先增加，然后下降，且都在肋间距为筋直径的1倍时达到最大值，BFRP深肋型 筋选用肋间距为其直径的1倍，肋宽度为其直径的0.25倍，通过对7,8,9进行 对比，BFRP深肋型筋的肋高度取其直径的0.1倍。
根据上述结论，采用其中深肋型带肋FRP筋的肋间距为其直径的1倍，肋 宽度为其直径的0.25，肋高度取其直径的0.1倍，结合光面FRP筋、普通FRP 筋和钢筋进行黏结-滑移性能试验，如图8所示，FRP筋-混凝土黏结滑移曲线的 总体趋势与钢筋-混凝土类似，钢筋的黏结强度总体高于FRP筋，光面FRP筋黏 结强度最低，虽然FRP筋的黏结强度和刚度总体比钢筋低，但是普通带肋FRP 筋或者优化带肋FRP筋黏结滑移曲线的下降段明显高于钢筋，这是由于FRP筋 表面肋刚度较小，能够保在保证表面肋和混凝土完好的情况下，与混凝土产生 稳定的相对滑动，有助于FRP筋在与钢筋混合配置时有效地限制裂缝，相反， 钢筋-混凝土发生黏结破坏后，钢筋的肋将混凝土削平，因此黏结应力迅速下降， 且优化带肋FRP黏结应力明显高于普通带肋FRP筋。
图9为通过优化带肋FRP筋实现混凝土梁构件抗裂的方法原理说明图，从 图9a中可以看出，当混凝土保护层厚度较薄时，氯离子直接影响钢筋，钢筋锈 蚀；从图9b中可以看出，当保护层厚度较厚时，裂缝宽度大，钢筋腐蚀加快， 另外钢筋的强度利用效率也低；从图9c中可以看出，FRP筋-钢筋混配可以缩小 保护层厚度，但采用普通带肋FRP筋不能很好地控制裂缝宽度，钢筋亦会锈蚀； 从图9d中可以看出，采用优化带肋FRP筋与钢筋混配可以有效控制裂缝宽度及 裂缝扩展，从而使钢筋避免受到氯离子的影响。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本 发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人 员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中 部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、 等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种通过优化带肋FRP筋实现混凝土梁构件抗裂的方法，其特征在于：包括如下具体步骤：
S1、优化：通过黏结-滑移性能试验获取优化的带肋FRP筋；
S2、制作梁模板：根据梁形状设计制作梁模板；
S3、组装混配筋笼：通过优化带肋FRP和钢筋搭配在梁模板上绑扎，制成混配筋笼；
S4、成型：向混配筋笼内部浇筑混凝土，振捣密实，制成混凝土梁构件。
2.根据权利要求1所述的一种通过优化带肋FRP筋实现混凝土梁构件抗裂的方法，其特征在于：所述步骤S1中，FRP筋包括BFRP筋、CFRP筋、GFRP筋、AFRP筋和SFCB筋，优化的带肋FRP筋型号包括深肋型、肋距较大的单向缠绕肋型、肋距较小的单向缠绕肋型和交叉缠绕肋型。
3.根据权利要求1所述的一种通过优化带肋FRP筋实现混凝土梁构件抗裂的方法，其特征在于：所述步骤S3中，混配筋笼包括下部纵筋、上部纵筋、腰筋、箍筋、下部拉筋、上部拉筋和中部拉筋，且下部纵筋分为近梁底层下部纵筋和非近梁底层下部纵筋，其中近梁底层下部纵筋、下部拉筋、箍筋均为优化带肋FRP筋，所述非近梁底层下部纵筋、上部纵筋、腰筋、上部拉筋、中部拉筋均为普通钢筋。
4.根据权利要求1所述的一种通过优化带肋FRP筋实现混凝土梁构件抗裂的方法，其特征在于：所述步骤S3中混配筋笼的截面为矩形截面时，下部纵筋、上部纵筋均绑扎在箍筋内侧，腰筋通过中部拉筋拉结后，固定在箍筋内侧中部。
5.根据权利要求1所述的一种通过优化带肋FRP筋实现混凝土梁构件抗裂的方法，其特征在于：所述步骤S3中混配筋笼的截面为T形截面或倒T形截面，T形截面所述混配筋笼绑扎时，将上部纵筋内侧的钢筋先绑扎在箍筋内，再采用上部拉筋将上部纵筋两侧的钢筋拉结在一起后与上部纵筋内侧钢筋及箍筋绑扎，倒T形截面所述混配筋笼绑扎时，将下部纵筋内侧的钢筋先绑扎在箍筋内，再采用下部拉筋将下部纵筋两侧的钢筋拉结在一起后与下部纵筋内侧钢筋及箍筋绑扎。
6.根据权利要求1所述的一种通过优化带肋FRP筋实现混凝土梁构件抗裂的方法，其特征在于：所述步骤S3中混配筋笼的截面为I形截面，I形截面所述混配筋笼绑扎时，I形截面下部纵筋两侧的钢筋拉结在一起后与下部纵筋内侧钢筋及箍筋绑扎，I形截面上部纵筋内侧的钢筋先绑扎在箍筋内，再采用上部拉筋将上部纵筋两侧的钢筋拉结在一起后与上部纵筋内侧钢筋及箍筋绑扎。
7.根据权利要求1所述的一种通过优化带肋FRP筋实现混凝土梁构件抗裂的方法，其特征在于：所述步骤S3中混配筋笼的截面为环形截面时，箍筋为一种环形箍筋，下部纵筋和上部纵筋均匀绑扎在环形箍筋内。
8.根据权利要求1所述的一种通过优化带肋FRP筋实现混凝土梁构件抗裂的方法，其特征在于：所述步骤S3中绑扎材料为金属扎丝或尼龙扎带或两种配合使用。
9.根据权利要求1所述的一种通过优化带肋FRP筋实现混凝土梁构件抗裂的方法，其特征在于：所述步骤S4中，混凝土包括普通混凝土、水泥基纤维增强材料和超高性能混凝土。
10.根据权利要求1所述的一种通过优化带肋FRP筋实现混凝土梁构件抗裂的方法，其特征在于：所述步骤S4中，混凝土梁构件为变截面梁或等截面梁。
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