玻璃鋼(GFRP)-混凝土復合拱試驗研究

楊慶國，田 菊，涂志忠，李 亞

(重慶交通大學土木建筑學院，重慶400074)

玻璃鋼(GFRP)材料由于強度高、重量輕等特點，常被用來加固舊的混凝土結構，比如舊混凝土拱和石拱橋的加固［1-7］。既然GFRP可以用來加固拱結構而取得良好的效果，那么能否在結構形成之初就利用GFRP的優(yōu)良性能使其與混凝土拱復合而形成GFRP-混凝土復合拱?若GFRP-混凝土復合拱和混凝土拱相比具有明顯的結構性能，那么GFRP-混凝土復合拱作為一種新的結構形式無疑將會帶來良好的技術和經(jīng)濟效益。

筆者采用單面、U形、環(huán)形以及局部和全拱范圍黏貼GFRP的方式，形成了GFRP-混凝土復合拱，并對GFRP-混凝土復合拱進行了荷載試驗。通過GFRP-混凝土復合拱和普通混凝土拱的試驗結果對比分析，發(fā)現(xiàn)GFRP-混凝土復合拱具有更高的開裂荷載、結構剛度和極限承載力。試驗表明:GFRP-混凝土復合拱和普通混凝土拱相比，結構性能更加優(yōu)良。

1 GFRP-混凝土復合拱的制作和加載

1.1 GFRP-混凝土復合拱的設計和制作

試驗共制作了7片混凝土拱，每片混凝土拱的尺寸均相同，混凝土拱的尺寸具體見表1。

表1 拱肋尺寸Table 1 The dimensions of arch ribs

試驗拱共分為3組。其中第1組拱為普通混凝土拱(不黏貼GFRP)，該片拱作為GFRP-混凝土復合拱的對比。該組僅有一片拱，其編號為1-1。

第2組和第3組各有3片拱，均黏貼GFRP、與混凝土復合形成GFRP-混凝土復合拱。

第2組拱全部采用局部黏貼GFRP的形式。具體黏貼位置是:根據(jù)加載和約束條件計算出拱的受拉區(qū)域，然后將GFRP黏貼于拱受拉的局部位置。受拉局部位置黏貼時，又采用了3種黏貼形式:第1種只在受拉面上貼一層GFRP材料，試驗中將其稱為I形黏貼，如圖1(a);第2種將受拉面黏貼的GFRP材料延伸到側(cè)面，GFRP半包裹混凝土截面，GFRP本身呈U形，試驗中將其稱為U形黏貼，如圖1(b);第3種將受拉區(qū)域全部用GFRP材料包裹，試驗中將其稱為環(huán)形黏貼，如圖1(c)。本組試驗拱對應的受拉面為:拱的l/8～2l/8和6l/8～7l/8范圍的頂面、5l/16～11l/16范圍的底面。

圖1 黏貼形式Fig.1 Form graph of paste

第3組GFRP-混凝土復合拱是在第2組拱的基礎上，將黏貼部位延長，具體的GFRP黏貼的位置是:0～l/4頂面、l/4～3l/4底面和3l/4～l頂面，由于黏貼位置擴展后，頂面和底面黏貼的范圍加起來正好是拱的全長，因此該組中的環(huán)形黏貼GFRP的復合拱事實上就是整個拱全部黏貼了GFRP。

試驗拱的編號及組別情況如表2。

表2 拱肋編號及分組Table 2 The number and grouping of arch ribs

試驗拱的材料參數(shù)為:混凝土強度設計為C30，實測為33.8 MPa;彈性模量實測為2.64 ×104MPa;GFRP材料極限強度為304 MPa;彈性模量為1.6×104MPa。黏貼玻璃鋼的材料是環(huán)氧樹脂，采用濕黏法黏貼成型。濕黏法能很好地適應工程的應用需求。

1.2 試驗加載及測量裝置［8］

試驗采用手搖千斤頂加載如圖2，加載時用荷載傳感器控制和讀取每級荷載的增加量。為準確掌握各拱肋的開裂荷載，故在開裂前每級荷載增加1 kN，裂縫出現(xiàn)后每級荷載增加2 kN，直到結構破壞。荷載由第1級0開始，逐級加載到極限破壞荷載。每級荷載加載完后，穩(wěn)壓2 min再讀數(shù)、記錄。然后進行下一級加載，直到拱肋破壞以至于不能繼續(xù)承受荷載。開裂荷載和極限荷載由拱肋上的應變片測量值、拱肋開裂狀況、傳感器讀數(shù)和理論計算相結合的方法確定。百分表及應變片布置如圖3。

圖2 拱肋加載Fig.2 Loading graph of arch ribs

圖3 百分表和應變片布置Fig.3 Dial gauges and strain tablets layout

2 試驗拱的荷載撓度曲線及分析

將各試驗拱實測得到的荷載及撓度數(shù)據(jù)進行整理，得到圖4中各試驗拱的荷載-跨中撓度曲線，其中橫坐標為跨中撓度值w，0.01 mm;縱坐標為荷載值 P，kN。

圖4 各拱肋的荷載撓度曲線Fig.4 The load defection curves of arch ribs

從圖4可知，同一種黏貼形式的拱肋荷載撓度曲線基本一致，說明了各拱肋的制作具有同一性，保證了各拱肋數(shù)據(jù)的關聯(lián)性及可比性。

從圖4看出，在加載初期階段，普通混凝土拱和GFRP-混凝土復合拱的荷載撓度曲線均呈直線，GFRP-混凝土復合拱荷載撓度曲線的斜率稍大于普通混凝土拱荷載撓度曲線的斜率，說明GFRP-混凝土復合拱的剛度稍大于普通混凝土拱;荷載撓度曲線具有明顯不同的轉(zhuǎn)折點，即開裂荷載不同，GFRP-混凝土復合拱的開裂荷載比普通混凝土拱都有所提高。

開裂后，GFRP-混凝土復合拱的荷載撓度曲線斜率減小值明顯比普通混凝土拱小，說明GFRP對拱肋開裂后的剛度貢獻較大，GFRP-混凝土復合拱的性能明顯優(yōu)于普通混凝土拱;開裂后，GFRP-混凝土復合拱的荷載撓度曲線呈現(xiàn)為較長的直線段，撓度與荷載的增長基本呈線性關系，而普通混凝土拱的荷載撓度曲線卻在開裂后出現(xiàn)了多個小平臺，其荷載與撓度不再是線性關系;GFRP-混凝土復合拱的荷載撓度曲線明顯比普通混凝土拱高和長，說明GFRP-混凝土復合拱的變形能力和極限承載能力優(yōu)于普通混凝土拱，主要是由于把GFRP黏貼在拱肋易開裂部位，GFRP起到了明顯的阻裂增強作用，改善了拱的工作性能，顯著提高了拱的變形能力及極限承載力。

綜上所述，開裂前GFRP-混凝土復合拱的結構性能與普通混凝土拱基本相同;開裂后，GFRP-混凝土復合拱的剛度、承載力、變形性能及抗裂性能明顯優(yōu)于普通混凝土拱。

3 破壞形式對比分析

試驗中對各試驗拱的破壞位置及破壞形式進行了記錄，將它們整理成表3。

表3 各拱肋破壞狀況Table 3 the damaging state of arch ribs

第1組普通混凝土拱破壞位置發(fā)生在右加載點附近，拱肋的5l/8。第2組3個GFRP-混凝土復合拱的破壞位置都與普通混凝土拱的破壞位置不同，且都在0～l/8區(qū)域內(nèi)。第3組全長黏貼GFRP-混凝土復合拱破壞位置并沒有因黏貼GFRP而發(fā)生改變，在普通混凝土拱的理論破壞區(qū)域。

第2組中，局部長黏貼GFRP，在拱肋兩加載點附近及l(fā)/8～2l/8、6l/8～7l/8區(qū)域都黏貼了GFRP，由于GFRP具有阻裂增強的作用［9］，使得這些部位的剛度、抗裂性能得到改善，而其它區(qū)域的相應性能未得到改善，因而局部長黏貼GFRP拱肋破壞時，破壞位置容易轉(zhuǎn)移到剛度較弱、沒有黏貼GFRP及受力不利的位置。

第3組中，全長黏貼GFRP后，GFRP-混凝土復合拱在拱整體長度上每個界面均黏貼有GFRP，由于GFRP具有阻裂增強作用，使得拱各個部位的剛度及抗裂性能都得到了改善，因此破壞位置不發(fā)生改變。

4 開裂荷載及極限荷載對比分析

記錄試驗拱的開裂荷載和極限荷載，對結果進行整理、分析并制成表4。

表4 各拱肋的開裂荷載及極限荷載Table 4 Cracking load and ultimate load comparative table of arch ribs

開裂荷載方面，從表4可知，第1組普通混凝土拱的開裂荷載為23 kN。第2組局部黏貼GFRP的復合拱開裂荷載提高幅度在47.8% ～69.6%。第3組全長黏貼GFRP-混凝土復合拱開裂荷載分別為28，28，32 kN，都比普通混凝土拱大，但其提高程度都不大，其提高幅度為21.7% ～39.1%。這說明全長黏貼GFRP的復合拱開裂荷載提高不明顯。得到這樣的規(guī)律:相同黏貼形式下，局部黏貼GFRP的復合拱開裂荷載比全長黏貼GFRP的復合拱開裂荷載高。

拱肋開裂時，荷載傳感器上的荷載讀數(shù)會突然下降。除Arch 1-1、Arch 2-1、Arch 3-1拱肋在傳感器的讀數(shù)突然下降時觀測到了裂縫，且都在右加載點附近，其余拱肋在傳感器荷載讀數(shù)突然下降時都未觀測到裂縫，直至破壞時才觀測到裂縫。這主要是因為在拱肋易開裂部位及附近大片區(qū)域黏貼了GFRP，從拱肋開始出現(xiàn)裂紋到裂紋超出黏貼區(qū)域之前都無法觀測裂縫發(fā)展狀況，只能依靠拱肋的荷載撓度曲線和荷載傳感器的讀數(shù)來確定部分拱肋的開裂荷載值。

極限荷載方面，與普通混凝土拱相比，第2組中各GFRP-混凝土復合拱極限荷載提高幅度為65.71% ～140%。第3組中各GFRP-混凝土復合拱的極限荷載提高幅度為71.4% ～142.8%。

對極限荷載的進一步對比分析發(fā)現(xiàn):①環(huán)形黏貼的GFRP-混凝土復合拱極限荷載提高最明顯，其提高程度分別為140%和142.8%;其次是U形黏貼的GFRP-混凝土復合拱，提高程度分別為108.6%和122.8%;提高程度最小是I形黏貼的GFRP-混凝土復合拱，提高程度分別為68.6%和71.4%，明顯小于環(huán)形黏貼和U形黏貼。②相同黏貼形式下，全長黏貼的GFRP-混凝土復合拱極限荷載提高程度稍大于局部長黏貼的GFRP-混凝土復合拱。

效果方面，規(guī)律①說明環(huán)形黏貼最好，U形黏貼其次，I形黏貼最差。規(guī)律②說明，在相同黏貼形式下，全長黏貼GFRP拱肋極限荷載的改善并沒有優(yōu)于局部黏貼GFRP拱肋。

5 撓度對比分析

從圖4知，局部黏貼GFRP試驗拱第2組(Arch 2-1、Arch 2-2、Arch 2-3)破壞時的撓度分別為 5.26，5.78，6.99 mm，明顯都大于普通混凝土拱(Arch 1-1)的撓度3.6 mm，即變形大于普通混凝土拱。全長黏貼GFRP試驗拱第3組(Arch 3-1，Arch 3-2，Arch 3-3)破壞時的撓度分別為 5.71、7.89、8.67 mm，也都明顯大于普通混凝土拱(Arch 1-1)的撓度3.6 mm。撓度對比說明黏貼GFRP后，GFRP起到了阻裂和增強的作用，提高了拱的工作性能，顯著提高了拱的變形能力。

全長黏貼GFRP試驗拱第3組(Arch 3-1，Arch 3-2，Arch 3-3)破壞時的撓度分別為 5.71，7.89，8.67 mm，大于局部黏貼GFRP拱第2組(Arch 2-1，Arch 2-2，Arch 2-3)破壞時的撓度5.26，5.78，6.99 mm。這說明在黏貼形式相同的條件下，全長黏貼GFRP的復合拱撓度比局部長黏貼GFRP的復合拱撓度都大，即全長黏貼GFRP的復合拱變形性能優(yōu)于局部黏貼GFRP的復合拱。

從圖4可以看出:黏貼長度相同條件下，環(huán)形黏貼的GFRP-混凝土復合拱變形能力優(yōu)于U形黏貼的GFRP-混凝土復合拱，U形黏貼的GFRP-混凝土復合拱變形能力優(yōu)于I形黏貼的GFRP-混凝土復合拱。

6 結論

1)與普通混凝土拱相比，局部黏貼環(huán)形、U形及I形GFRP的復合拱開裂荷載分別提高了69.6%，47.8%，52.2%;全長黏貼環(huán)形、U 形及 I形 GFRP 的復合拱開裂荷載分別提高了 39.1%，21.7%，21.7%。

2)與普通混凝土拱相比，局部黏貼環(huán)形、U形及I形GFRP的復合拱極限荷載分別提高了140%，108.6%，65.71%;全長黏貼環(huán)形、U 形及 I形 GFRP的復合拱極限荷載分別提高了142.8%，122.8%，71.4%。

3)黏貼形式(環(huán)形、U形、I形)相同條件下，全長黏貼的GFRP-混凝土復合拱變形能力優(yōu)于局部黏貼的GFRP-混凝土復合拱;黏貼位置相同條件下，環(huán)形黏貼的GFRP-混凝土復合拱變形能力優(yōu)于U形黏貼的GFRP-混凝土復合拱，U形黏貼的GFRP-混凝土復合拱變形性能優(yōu)于I形黏貼的GFRP-混凝土復合拱。

4)由于GFRP的阻裂作用，局部黏貼的GFRP-混凝土復合拱破壞位置容易轉(zhuǎn)移到?jīng)]有黏貼GFRP的位置，而全長黏貼GFRP的復合拱破壞位置不發(fā)生這種轉(zhuǎn)移。

5)全長黏貼GFRP的復合拱結構性能要稍優(yōu)于局部黏貼GFRP的復合拱。

6)其它情況相同條件下，采用環(huán)形及U形黏貼GFRP的復合拱結構性能明顯優(yōu)于采用I形黏貼GFRP的復合拱。

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