恩施云南庄大桥采用空腹式连续刚构桥^[1]，主梁采用C55混凝土，主跨跨径280 m，此类桥型的相关工程实践正处于初步阶段。在桥梁耐久性研究过程中，除了创新桥梁结构，优化受力形式外，还可以从提高混凝土材料本身的抗裂性能考虑^[2]。纤维混凝土是在混凝土基材中掺入各种非连续的短纤维而形成的增强水泥基复合材料，为控制混凝土早期收缩和开裂问题提供了新的思路^[3]，其中聚丙烯纤维(Polypropylene Fibers，PPF)具有低弹模、低密度、耐酸碱、强度较高、韧性较好、成本低、原料易得等优点^[4]，可以将PPF混凝土技术应用于云南庄大跨空腹式连续刚构桥的抗裂研究。

目前基于聚丙烯纤维增强混凝土的研究已有很多^[5-8]，国内外学者通过理论推导、试验验证等方式对包含聚丙烯纤维在内的多种纤维对混凝土材料各项性质的影响规律进行了比较全面的研究。张广泰^[8]等以聚丙烯纤维掺量为变量，设计了9组轴心抗压试块，测定轴心抗压强度和峰值应变，得出聚丙烯掺量为1.8kg/m³改善效果最好；梁宁慧^[9]通过室内外试验，探究多尺度聚丙烯纤维混凝土在隧道二衬中的应用，结果表明，粗、细纤维协同形成“桥接”作用，有效抑制裂缝发展，表现出优良的阻裂性能。柴明明^[10]研究发现适量添加聚丙烯纤维提升喷射混凝土的抗折强度和韧性。Yew^[11]研究了PP纤维对混凝土的力学性能影响，结果表明PP纤维增强混凝土劈裂抗拉强度增加了8%~33%，抗弯强度提高了6.0%~7.3%；Lanzoni^[12]的研究表明，在不影响混凝土和易性时，聚丙烯纤维可显著提高混凝土构件的抗裂性和韧性；Zhang^[13]对不同聚丙烯纤维含量的混凝土试样进行了试验，结果表明，聚丙烯纤维可以提高混凝土的冲击韧性和抗裂性；李福海^[14]设计制作了8根聚丙烯纤维混凝土梁，研究掺入聚丙烯纤维对混凝土梁受弯裂缝分布的影响规律，结果表明，聚丙烯纤维混凝土梁具有更好的裂缝控制能力，裂缝的分布和扩展较为平稳；Abousnina^[15]调查了在大体积混凝土中使用聚丙烯纤维的潜在工程效益，采用了4 kg/m³和6 kg/m³这2种掺量，研究了混凝土和易性及其他力学性能。结果表明纤维增强混凝土的和易性略有下降，但力学性得到显著提高。

从各种研究成果来看，掺入聚丙烯纤维会影响混凝土材料的各项性质已经得到验证，目前主流的研究主要是针对混凝土材料的基本力学试验，而关于聚丙烯纤维混凝土和钢筋组合结构的研究较少，混凝土组成材料、配合比不同，对聚丙烯增强混凝土梁抗裂最佳纤维掺量等结果都莫衷一是，直接将一般聚丙烯纤维混凝土最佳掺量的理论和试验研究成果套用至空腹式刚构桥实桥建设之中，这显然是不严谨的，为此需要开展梁式构件受弯剪抗裂试验研究，供工程建设参考。

混凝土强度等级为C55，配合比来源于实际工程云南庄大桥主梁混凝土，砂子选用0~4.75 mm连续级配机制砂，石子选用5~20 mm连续级配碎石，水泥采用P.O 42.5硅酸盐水泥，粉煤灰采用F类I级粉煤灰，矿粉采用S95级矿粉，采用生活用水，外加剂采用ART-JS聚羧酸高性能减水剂，聚丙烯纤维采用长度规格12 mm的束状单丝短纤维，密度为0.91 kg/m³，其主要参数如表 1所示。

试拌过程发现，当纤维掺量达到0.5%时，出现肉眼可见的纤维团，还降低了混凝土的和易性，一些研究^[16-17]表明当PP纤维体积比在0.22%~0.4%时混凝土的基础力学性能最佳，故本研究选取以下5组PPF体积掺量为研究对象：0%，0.1%，0.2%，0.3%，0.4%，PPF混凝土配合比如表 2所示，PPF混凝土28 d抗压强度测试结果如图 1所示。

图 1 聚丙烯纤维混凝土抗压强度 Fig. 1 Compressive strength of polypropylene fiber-reinforced concrete

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从图 1可看出，掺入聚丙烯纤维后会影响混凝土的抗压强度，导致试块抗压强度降低，并且掺量越大，对抗压强度的削弱程度越大，但是试验所设置的聚丙烯纤维最大掺量组试块抗压强度平均值为58.84 MPa，仍能满足标号为C55混凝土的设计要求，尚在合理范围之内。试验梁配置钢筋笼，包括纵向受拉主筋、架立钢筋和箍筋，其主要参数如表 3所示。

根据云南庄特大桥施工图纸设计，弯剪段用到的钢筋型号为HRB400，直径有12，16，20 mm共3种，根据弯剪段箱梁断面钢筋布置图，其中主要的纵向受拉钢筋Ф20有120根、Ф16有574根，受拉纵筋的配筋率为1.28%，箍筋间距为100 mm。限于试验成本及场地等因素，直接对箱梁节段进行聚丙烯纤维混凝土受弯剪开裂研究以确定合理的纤维掺量成本较高，故本研究采用矩形截面的梁式构件展开受弯剪开裂研究。为了尽可能模拟跨中梁段混凝土的受拉特征，矩形梁构件的配筋设计原则如下：

(1) 试件原材料及基准配合比与弯剪段保持一致。

(2) 在满足适筋梁的条件下，试件配筋率与弯剪段尽可能接近。

(3) 箍筋间距保持一致。

基于上述5组配合比，共设计15根梁试件，PPF体积掺量水平分别为0%，0.1%，0.2%，0.3%，0.4%，并分别命名为无纤维组，1/4掺量组，1/2掺量组，3/4掺量组和全掺量组，分别对应“0”，“1/4”，“1/2”，“3/4”，“1”。

试件的构造形式如图 2所示。应变测量采用电阻式应变片，通过应变片测量钢筋和混凝土的应变变化，钢筋应变片提前预埋，设置3个测点，分别位于中线及中线两侧100 mm，依次对应为应变测点1、测点2和测点3。混凝土应变片如图 2所示，使用AB胶将其粘贴在混凝土表面，基于小梁截面的中性层和破坏时的受压区高度，设置4个测点，测点分别位于加载面下方20，60，90，120 mm处，依次对应为应变测点1，测点2，测点3，测点4，示意如图 2所示。在梁底部跨中及加载点处放置电子百分表记录位移变化，接入动静态采集仪，使用电脑软件实时测量记录。

图 2 试件的构造形式(单位: mm) Fig. 2 Constructional form of specimen(unit: mm)

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试验采用3点加载的形式进行，试验的加载制度为分级加载，在正式加载前进行预加载，消除装置与试件之间的间隙，确保各个测量系统可正常运行。正式加载的加载步大小为2 kN，加载设备为MTS伺服试验机，确保整个加载过程均匀而缓慢。

以无纤维组梁试件和1/2掺量组梁试件受弯剪破坏形态为例可以看出，梁试件最终的破坏形态类似，表现出适筋梁3阶段破坏的特点：在加载初期，荷载等级较低时，梁试件跨中挠度比较小，与荷载大小成正比例增大，此时构件明显处于弹性阶段；随着荷载等级的提高，初裂缝出现在跨中梁底，裂缝宽度较小；随着荷载的继续增大，初裂缝发展为主导裂缝，并且不断有新裂缝产生，新裂缝呈对称形态分布，沿着竖向扩展；接近极限荷载时，出现支座到加载点方向的斜裂缝，并且不断向加载点的位置延伸；最后主导裂缝贯穿梁体，梁体已经无法稳定承受荷载，跨中挠度急剧增加，最终受拉钢筋屈服，顶部混凝土被压碎而彻底破坏。

其他各组梁试件裂缝扩展过程与之类似，均为适筋梁破坏，但在裂缝数量方面有所不同，最终破坏裂缝数量随纤维体积掺量变化如图 3所示。掺入聚丙烯纤维的梁试件初裂荷载更大，破坏时出现裂缝的数量更多，裂缝扩展的速度减慢，裂缝宽度明显减小，具有更好的裂缝控制能力。

图 3 最终破坏裂缝数量 Fig. 3 Amount of final cracks

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应变测点采集的数据较多，包括了钢筋和混凝土的应变，需要预先处理。计算每组梁试件同一测点处混凝土、钢筋的应变平均值，可以得到混凝土荷载-应变曲线和钢筋荷载-应变曲线，如图 4所示。

图 4 不同掺量组梁的混凝土和钢筋荷载-应变曲线 Fig. 4 Load-strain curves of concrete and bars in beams with different PPF volume contents

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从图中可以看出混凝土和钢筋应变变化的规律：在加载初期，没有裂缝产生，混凝土处于弹性阶段，受拉区拉应力由混凝土和钢筋共同承担，应变与荷载等级成正比例关系。随着荷载等级的提高，裂缝萌生，裂缝萌生区域的受拉区混凝土退出工作，其承担的拉应力全部转移给受拉钢筋，截面中性轴位置上移，应力发生重分布。随着钢筋承担的拉应力逐渐增大，钢筋拉应变达到屈服时的应变值，应力达到屈服强度，混凝土和钢筋的应变急剧增大，裂缝开展速度加快，截面中性轴进一步上升，混凝土的受压区不断缩小，混凝土应变测点3、测点2读数先后由正值转为负值。接近承载力极限时，受压区混凝土达到抗压强度，出现纵向的水平裂缝，随后混凝土被压碎，梁彻底失去承载力。

各组梁试件跨中的荷载-位移曲线如图 5所示，从曲线走势可以看出，在分级加载的过程中，梁的跨中位移增长规律也表现出明显的3阶段特征，即加载初期的正比例缓慢增长段、加载中期的稳定扩展段，以及加载末期混凝土无法稳定持荷、跨中位移快速增长的阶段，这一特征与混凝土受弯开裂的弹塑性转换相互对应。

图 5 不同掺量组梁的荷载-位移曲线 Fig. 5 Load-displacement curves of beams with different PPF volume contents

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此外，钢筋达到屈服荷载时PPF增强混凝土梁随着PPF体积掺量的增加表现出更高的位移响应，这是因为PPF增加了混凝土的极限拉应变提高了了混凝土的韧性，但是这种增强是以略微牺牲梁的整体刚度为代价。PPF增强混凝土梁和普通混凝土梁试验测得的极限荷载区别不大，说明长度12 mm规格的束状单丝短聚丙烯纤维对梁的极限承载力增强效果有限。

从混凝土荷载-应变曲线可以看出，聚丙烯纤维掺量会影响混凝土受弯剪开裂极限拉应变，即影响了小梁试件受拉区边缘混凝土的开裂应力。混凝土应变测点4位于梁高1/3处，距离受拉区边缘60 mm，初裂缝一旦出现，高度会扩展到附近，在整个加载过程中始终位于受拉区，并随着分级加载不断变化。

混凝土一旦出现裂缝，就会影响其使用性能，因此为了确定掺入聚丙烯纤维对钢筋混凝土梁初始开裂应力的影响规律，首先通过基本力学性能试验测定不同掺量聚丙烯纤维混凝土的弹性模量，然后提取每根梁试件达到初裂时混凝土应变测点4的应变值，计算每组(P3-0、P3-1/4、P3-1/2、P3-3/4、P3-1)钢筋混凝土梁的开裂应变平均值，进而计算每组梁试件初裂时的开裂应力值，如表 4所示。

钢筋混凝土梁受弯剪开裂应力与聚丙烯纤维掺量的关系如图 6所示。

图 6 PPF掺量与梁受弯剪开裂应力 Fig. 6 PPF volume content and beam flexural-shear cracking stress

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3根普通混凝土梁的平均开裂荷载为17.8 kN，PPF体积掺量为0.3%的3根PPF增强混凝土梁平均开裂荷载为19.7 kN较普通混凝土梁提高了10.67%，但当PPF体积掺量提升到0.4%时，3根PPF增强混凝土梁平均开裂荷载为15.3 kN较普通混凝土梁降低了14.04%，说明在受拉区掺入PP纤维可以显著提高RC梁的初始开裂荷载，但是PP纤维体积掺量超过一定数值后反而降低了初裂荷载。

对于开裂应变而言，普通混凝土梁平均开裂应变为46.04 με，而PPF体积掺量为0.3%的3根PPF增强混凝土梁平均开裂应变为97.67 με较普通混凝土梁提高了112.14%，PPF体积掺量为0.4%的3根PPF增强混凝土梁平均开裂荷载为59.41 με较普通混凝土梁提高了29.04%，可以看出掺入聚丙烯纤维会提高钢筋混凝土梁的变形能力，达到初裂荷载时，掺了聚丙烯纤维的梁受拉区混凝土产生的应变更大，具有更高的延性，PPF体积掺量为0.3%时提升效果最佳。

PPF掺量不同，影响梁延性的程度不同，PPF弹性模量较素混凝土低，PPF的加入降低了混凝土的弹性模量，进而影响到梁的开裂应力。从提高钢筋混凝土梁受弯剪开裂应力的角度来看，PPF体积掺量为0.3%时，钢筋混凝土梁受弯剪开裂应力大，提升了抗裂效果。

力在位移上所做的功称为能量，荷载-位移曲线包络的面积反映出试件能够吸收的能量大小。钢筋混凝土梁开始受压达到初裂荷载，出现第1条裂缝时，荷载-位移曲线起点至初裂点之间的曲线与坐标轴包围的面积，定义为起裂能量^[18]，也称开裂能量，简称为开裂能。

从钢筋混凝土梁跨中的荷载-位移曲线可以看出，聚丙烯纤维掺量同样会影响梁受弯开裂所能吸收的能量。为了评估聚丙烯纤维掺量与梁开裂能之间的关系，使用绘图软件Origin对每根梁的荷载-位移曲线起点至初裂点之间进行积分，求取开裂能量，这里以梁P3-0-1为例，如图 7所示。

图 7 梁P3-0-1开裂能 Fig. 7 Cracking energy of beam P3-0-1

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计算每组钢筋混凝土梁(P3-0、P3-1/4、P3-1/2、P3-3/4、P3-1)的开裂能平均值，结果如表 5所示。

钢筋混凝土梁受弯剪开裂能大小与聚丙烯纤维掺量的关系如图 8所示。

图 8 PPF掺量与梁受弯剪开裂能 Fig. 8 PPF volume content and beam flexural-shear cracking energy

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PPF对混凝土梁弯剪破坏开裂能的提升规律同对开裂应力的影响规律相似，3根普通混凝土梁的平均开裂能为5.11 J，PPF体积掺量为0.3%的3根PPF增强混凝土梁平均开裂能为6.23 J，较普通混凝土梁提高了21.92%，当PPF体积掺量提升到0.4% 时，3根PPF增强混凝土梁平均开裂能为4.28 J，较普通混凝土梁降低了16.24%。

从能量角度，裂缝的萌生和扩展需要消耗能量，外力对混凝土所做的功一方面用于裂缝扩展形成新的表面，另一方面用于混凝土的塑性变形^[19-20]，聚丙烯纤维增强混凝土中存在无序分布的纤维^[21]，在混凝土机体微观和宏观开裂过程中，一根根的聚丙烯纤维类似细小的“筋”，起到了桥接混凝土的作用，外力做功一部分流向纤维的拉拔脱黏和弹塑性变形等方面，相当于转移了一部分导致混凝土开裂的能量，无序分布纤维的脱落、滑动、拔出或断裂这一系列过程增加了机体裂缝扩展所需要的能量，从而达到阻裂效果，这就解释了相比于普通混凝土，一定范围内掺入PPF能提升开裂能。另一方面前文试拌体积掺量0.5%时呈现出肉眼可见的结团，由于高掺量纤维在搅拌过程易结团，使得高掺量PPF增强混凝土内的纤维并非理想的乱向分布，结团的纤维破坏了混凝土的均匀性，削弱了截面强度，造成PPF体积掺量为0.4%时开裂能反而较普通混凝土梁低。

本研究旨在研究PPF增强混凝土梁在集中荷载作用下的弯剪开裂行为，本试验共设计了15根钢筋聚丙烯纤维混凝土梁试件，以纤维体积掺量为变量分成5组：0%，0.1%，0.2%，0.3%和0.4%，通过3点加载的试验方式，分析了试验梁在分级加载作用下的破坏形态、应变变化和位移变化等规律，进一步分析聚丙烯纤维掺量水平与钢筋混凝土梁开裂应力和开裂能的关系，结论如下。

(1) 当聚丙烯纤维混凝土的纤维掺量达到0.5%时，出现了肉眼可见的纤维团，且严重降低了混凝土的和易性，此不利因素限制了高掺PPF的使用。

(2) PPF增强混凝土梁与普通混凝土梁的破坏形态相似，符合适筋梁受弯剪破坏特征，PPF增强混凝土材料的使用能有效地改善混凝土梁的开裂特征。较普通混凝土梁，PPF增强混凝土梁呈现出多裂缝的开裂特征，在一定限度内裂缝数量与PP纤维体积比正相关，纤维体积掺量0.3%梁的裂缝数量较未掺PPF增加了29.67%，说明PPF的加入增加了试验梁受力均匀性，能有效的限制裂缝发展。

(3) 从应变的角度分析PPF增强混凝土梁弯剪破坏过程，体积掺量为0.3%的PPF增强混凝土梁平均开裂应变较普通混凝土梁提高了112.14%，说明聚丙烯纤维的加入能提高相同荷载等级下混凝土应变，有效地增加了梁的延性，延缓了初裂缝出现的时间。

(4) PPF增强混凝土能提高试验梁受弯剪作用的开裂荷载和开裂能，体积掺量为0.3%的PPF增强混凝土梁较未掺纤维的普通混凝土梁分别提升了10.67%和21.92%。

(5) 梁破坏时，PPF增强混凝土梁随着PPF体积掺量的增加表现出更高的位移响应，这是因为PPF增加了混凝土的极限拉应变提高了混凝土的韧性，但是这种增强是以略微牺牲梁的整体刚度为代价；PPF增强混凝土梁和普通混凝土梁试验测得的极限荷载区别不大，说明长度12 mm规格的束状单丝短聚丙烯纤维对梁的极限承载力增强效果有限。选择合理的PPF掺量能有效地延缓开裂，虽会略微降低了结构刚度，但总的来说，PPF对于结构早期的防裂是有益的。