GFRP筋混凝土短柱偏壓性能試驗(yàn)研究

孫麗+王世光+侯娜+張娜

摘要：進(jìn)行了3組玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（GFRP）筋混凝土短柱偏心受壓破壞試驗(yàn)，對(duì)GFRP筋混凝土偏心受壓柱的破壞形態(tài)、側(cè)向撓度、內(nèi)部筋體應(yīng)變與混凝土表面的應(yīng)變等試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：GFRP筋混凝土柱的破壞形式為受壓破壞，隨著初始偏心距的減小，GFRP筋混凝土柱的承載力有增大趨勢(shì)；GFRP筋作為受壓筋與混凝土的協(xié)同作用良好，且試件加載時(shí)的初始偏心距越小，混凝土與GFRP筋的協(xié)同作用越好；GFRP筋有較好的抗壓性能，作為受力筋應(yīng)用到混凝土受壓構(gòu)件中有很大的優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：GFRP筋；混凝土短柱；偏心距；偏壓性能；荷載；撓度；應(yīng)變

中圖分類號(hào)：TU377.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Fiber Reinforced Polymer，F(xiàn)RP）筋取代鋼筋用于增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)是解決鋼筋銹蝕行之有效的方法之一[1]。作為一種新型材料，玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Glass Fiber Reinforced Polymer，GFRP）與傳統(tǒng)鋼筋相比具有低密度、高強(qiáng)度、電磁中性和強(qiáng)耐腐蝕能力等優(yōu)良性能。

各國(guó)很多學(xué)者對(duì)FRP筋的性能做了大量研究。詹界東等[2-3]采用應(yīng)變折減的方法推導(dǎo)了體外預(yù)應(yīng)力FRP筋混凝土梁承載力的計(jì)算方法，并將計(jì)算結(jié)果與3組其他學(xué)者的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得出將此計(jì)算方法作為體外預(yù)應(yīng)力FRP筋混凝土梁承載力的計(jì)算公式是可行的，在此基礎(chǔ)上用有限元軟件ANSYS對(duì)預(yù)應(yīng)力FRP筋混凝土梁進(jìn)行建模，得到了與試驗(yàn)相類似的結(jié)果。宋江等[4]采用一種相對(duì)外貼加固具有明顯優(yōu)勢(shì)的新型FRP筋加固混凝土結(jié)構(gòu)的方法——嵌入式（NSM）加固法，研究了預(yù)應(yīng)力FRP筋嵌入式加固鋼筋混凝土梁的跨中正截面受彎承載力，給出了加固后的計(jì)算公式，并根據(jù)受壓區(qū)高度對(duì)預(yù)應(yīng)力FRP筋嵌入式加固鋼筋混凝土梁破壞模式進(jìn)行了判別。徐新生等[5]通過(guò)對(duì)10根FRP筋混凝土梁的彎曲試驗(yàn)研究，推導(dǎo)了FRP筋混凝土梁撓度的計(jì)算公式。薛偉辰等[6]通過(guò)系統(tǒng)研究各國(guó)FRP筋混凝土梁的試驗(yàn)結(jié)果，指出FRP筋混凝土梁基本有3種破壞模式，分別是受拉破壞、平衡破壞和受壓破壞，且推導(dǎo)出FRP筋混凝土梁的正截面抗彎承載力設(shè)計(jì)的計(jì)算公式。Baena等[7]進(jìn)行了GFRP筋加固混凝土試件的拉伸試驗(yàn)，結(jié)果表明，GFRP筋混凝土結(jié)構(gòu)的配筋率對(duì)結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)過(guò)程中的裂縫開(kāi)展和變形情況有影響，其他因素對(duì)GFRP筋加強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)拉伸性能的影響是值得分析和探討的。Nawy等[8]研究了FRP筋簡(jiǎn)支梁和連續(xù)梁，分析了FRP筋混凝土梁的撓度特性，得出同等受力情況下FRP筋混凝土梁產(chǎn)生的撓度要大于鋼筋混凝土梁的結(jié)論。

綜合各國(guó)眾多學(xué)者的研究現(xiàn)狀分析可知，目前對(duì)GFRP筋的研究主要集中在GFRP筋的抗拉性能方面，在抗壓方面所做的研究相對(duì)較少，尤其是GFRP筋與混凝土結(jié)構(gòu)結(jié)合作為受壓構(gòu)件的研究更少。隨著GFRP筋在混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，GFRP筋應(yīng)用于承載構(gòu)件時(shí)不可避免地將會(huì)承受壓應(yīng)力。為了使GFRP筋更廣泛地應(yīng)用到工程實(shí)際中，充分發(fā)揮其優(yōu)越的性能，更好地保證其與混凝土結(jié)構(gòu)結(jié)合使用過(guò)程中結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性，全面系統(tǒng)地研究GFRP筋混凝土的受壓力學(xué)性能顯得尤為必要。本文中筆者對(duì)GFRP筋混凝土短柱偏壓性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析其破壞形態(tài)、側(cè)向撓度等的變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)概況

1.1 GFRP筋材料試驗(yàn)

本文試驗(yàn)中，縱筋采用GFRP筋，其中玻璃纖維的體積分?jǐn)?shù)為70%，樹(shù)脂基體的體積分?jǐn)?shù)為30%，其直徑為10 mm。為提高GFRP筋與混凝土間的粘結(jié)性能，選擇表面帶肋的GFRP筋，見(jiàn)圖1。

Fig.1 GFRP Bars首先進(jìn)行受壓性能測(cè)試。將GFRP筋截成長(zhǎng)細(xì)比為2.5的小試件，在300 kN液壓試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行手動(dòng)加載。隨后進(jìn)行受拉性能測(cè)試，將GFRP筋截成長(zhǎng)度為30 cm的試件，在30 t液壓試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行手動(dòng)加載，應(yīng)用IMC應(yīng)變采集系統(tǒng)對(duì)筋體縱向應(yīng)變進(jìn)行采集。GFRP筋的抗壓與抗拉性能測(cè)試結(jié)果如表1所示。

1.2 GFRP筋混凝土偏心受壓柱試件設(shè)計(jì)與制作

1.2.1 混凝土配合比與強(qiáng)度設(shè)計(jì)

混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為C30，采用容量為0.6 m3的攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，具體配合比見(jiàn)表2。

1.2.2 混凝土試件設(shè)計(jì)、制作與應(yīng)變片粘貼

本文對(duì)9根GFRP筋混凝土柱進(jìn)行偏心受壓試驗(yàn)，偏心受壓柱試件參數(shù)見(jiàn)表3。試件采用對(duì)稱配筋，受壓側(cè)與受拉側(cè)各配置3根直徑為10 mm的GFRP筋作為縱筋。在柱身處均勻布置3根直徑為

4 mm的鋼筋作為箍筋，間距為50 mm。采用牛腿狀柱頭，每個(gè)柱頭配置3根直徑為16 mm的拉結(jié)鋼筋， 均勻布置5根直徑為6 mm、間距為50 mm的箍筋。試件截面尺寸及配筋見(jiàn)圖2。

試驗(yàn)采用標(biāo)距為1 mm的電阻應(yīng)變片測(cè)量柱內(nèi)部筋體的縱向應(yīng)變，每根GFRP縱筋中部布置1個(gè)電阻應(yīng)變片，焊接完畢后，再用紗布浸漬環(huán)氧樹(shù)脂包裹。

試驗(yàn)采用標(biāo)距為80 mm的應(yīng)變片測(cè)量GFRP筋混凝土柱混凝土表面的縱向、橫向應(yīng)變。測(cè)量橫向應(yīng)變的應(yīng)變片均布置在混凝土柱試件的縱向中間部位，受拉側(cè)與受壓側(cè)以35 mm的間距各布置3個(gè)，標(biāo)記為1，2，3和10，11，12。側(cè)面以42 mm的間距布置4個(gè)，標(biāo)記為6，7，8，9。在試件受壓側(cè)與受拉側(cè)位于中間位置的電阻應(yīng)變片的上、下位置各再粘貼1個(gè)電阻應(yīng)變片，用來(lái)測(cè)量混凝土的縱向應(yīng)變，標(biāo)記為4，5和13，14?；炷林砻嬲迟N電阻應(yīng)變片的情況見(jiàn)圖3。在粘貼電阻應(yīng)變片前，將粘貼位置的表面先用清水擦洗干凈，再用酒精擦拭，以使應(yīng)變片更好地和混凝土粘貼，減小誤差。

1.3 加載方案

采用沈陽(yáng)建筑大學(xué)結(jié)構(gòu)工程實(shí)驗(yàn)室的500 t壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行手動(dòng)加載?；炷猎嚰槠氖軌海囼?yàn)前需要在試件上、下兩端的鋼板上焊接角鋼來(lái)固定刀鉸，并在500 kN壓力機(jī)上安裝刀鉸，應(yīng)用IMC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)試件加載及持載過(guò)程進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。試驗(yàn)加載裝置見(jiàn)圖4。

本文試驗(yàn)采用手動(dòng)持續(xù)加載方案，試驗(yàn)正式開(kāi)始時(shí)，首先施加少量荷載，構(gòu)件采集數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，荷載以20 kN·min-1的速度勻速加載。當(dāng)荷載接近開(kāi)裂荷載和極限荷載時(shí)，加載速度適當(dāng)減小，以10 kN·min-1的速度勻速加載。試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)用裂縫觀測(cè)儀測(cè)量裂縫寬度，并記錄對(duì)應(yīng)的荷載值。2 試驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果分析

圖5為試件破壞形態(tài)。根據(jù)試驗(yàn)中9根GFRP筋混凝土柱的極限荷載，繪制出GFRP筋混凝土偏心受壓柱的極限荷載柱形圖，見(jiàn)圖6。由圖6可知，GFRP筋混凝土偏心受壓柱與鋼筋混凝土偏心受壓柱一樣，隨著初始偏心距的減小，GFRP筋混凝土柱的承載力有增大趨勢(shì)。

本次試驗(yàn)GFRP筋混凝土受壓柱的受壓破壞結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可以看出，GFRP筋混凝土試件以受壓區(qū)混凝土劈裂破壞為主。試件中大部分的縱 筋未發(fā)生斷裂，僅個(gè)別縱筋發(fā)生剪切破壞，可見(jiàn)，GFRP筋有較好的抗壓性能，作為受力筋應(yīng)用到混凝土受壓構(gòu)件中有很大的優(yōu)越性?；炷料扔贕FRP筋發(fā)生破壞，可見(jiàn)，混凝土對(duì)GFRP筋起到一定的保護(hù)和約束作用。

2.1 GFRP試件的荷載-側(cè)向撓度變化關(guān)系

根據(jù)9根GFRP筋混凝土試件加載過(guò)程中側(cè)面的撓度變化和對(duì)應(yīng)的各級(jí)荷載，得到試件的荷載-側(cè)向撓度曲線，見(jiàn)圖7。由圖7可見(jiàn)：試件加載時(shí)，當(dāng)所施加的豎向荷載小于試件極限荷載時(shí)，試件的荷載與撓度呈線性關(guān)系，說(shuō)明這一階段的混凝土試件處于彈性工作階段；當(dāng)所施加的豎向荷載超過(guò)極限荷載時(shí)，試件的荷載-側(cè)向撓度關(guān)系曲線開(kāi)始下降，隨著加載繼續(xù)進(jìn)行，荷載迅速減少，沒(méi)有明顯的屈服階段。由圖7還可知，初始偏心距越小，極限荷載越大，承載能力越強(qiáng)。

2.2 試件內(nèi)部筋體的荷載-應(yīng)變關(guān)系

根據(jù)GFRP筋混凝土試件加載過(guò)程中受拉和受壓GFRP筋的實(shí)測(cè)應(yīng)變和對(duì)應(yīng)的各級(jí)荷載，得到試件GFRP筋的荷載-應(yīng)變曲線，見(jiàn)圖8，其中，內(nèi)部受壓側(cè)筋體試件編號(hào)為GFRP-2，受拉側(cè)筋體試件編號(hào)為GFRP-6。本文探討了不同的GFRP筋混凝土試件在加載時(shí)，荷載與內(nèi)部筋體的應(yīng)變變化情況。

由圖8（a）可以看出：GFRP筋在混凝土柱內(nèi)部作為受力筋時(shí)，開(kāi)始時(shí)受拉側(cè)與受壓側(cè)GFRP筋的荷載與應(yīng)變呈線性關(guān)系；隨著加載繼續(xù)進(jìn)行，達(dá)到極限荷載后，受壓側(cè)GFRP筋荷載-應(yīng)變曲線迅速下降，沒(méi)有明顯的屈服階段，受拉側(cè)GFRP筋荷載-應(yīng)變曲線下降相對(duì)較緩慢。

由圖8（b）可以看出：GFRP筋在混凝土柱內(nèi)部作為受力筋時(shí)，開(kāi)始時(shí)受拉側(cè)與受壓側(cè)GFRP筋的荷載-應(yīng)變曲線呈線性關(guān)系，荷載-應(yīng)變曲線斜率的絕對(duì)值近似相等；隨著加載繼續(xù)進(jìn)行，達(dá)到極限荷載后，受壓側(cè)GFRP筋荷載-應(yīng)變曲線迅速下降，沒(méi)有明顯的屈服階段，受拉側(cè)GFRP筋荷載-應(yīng)變曲線下降相對(duì)較緩慢。

由圖8（c）可以看出：GFRP筋在混凝土柱內(nèi)部作為受力筋時(shí)，受拉側(cè)與受壓側(cè)GFRP筋的荷載-應(yīng)變曲線呈線性關(guān)系；隨著荷載增加，達(dá)到極限荷載后，受壓側(cè)與受拉側(cè)GFRP筋荷載-應(yīng)變曲線均下降，但是受拉側(cè)GFRP筋荷載-應(yīng)變曲線下降相對(duì)緩慢。

2.3 混凝土表面的荷載-應(yīng)變關(guān)系

根據(jù)GFRP筋混凝土試件加載過(guò)程中受拉側(cè)和受壓側(cè)混凝土表面中間縱截面上實(shí)測(cè)應(yīng)變和對(duì)應(yīng)的荷載，得到試件混凝土表面的荷載-應(yīng)變曲線，如圖9所示。

初始偏心距為175 mm的GFRP筋混凝土試件表面的荷載-應(yīng)變曲線選取點(diǎn)為混凝土-4（數(shù)字為應(yīng)變片位置，下文同）和混凝土-14，見(jiàn)圖9（a）。初始偏心距為125 mm的GFRP筋混凝土試件表面的荷載-應(yīng)變曲線選取點(diǎn)為混凝土-5和混凝土-14，見(jiàn)圖9（b）。初始偏心距為75 mm的GFRP筋混凝土試件表面的荷載-應(yīng)變曲線選取點(diǎn)為混凝土-4和混凝土-14，見(jiàn)圖9（c）。

GFRP筋混凝土柱試件受拉側(cè)混凝土的荷載-應(yīng)變曲線近似呈線性關(guān)系，達(dá)到極限荷載后，曲線急劇下降，沒(méi)有明顯的屈服階段。受壓側(cè)混凝土的荷載-應(yīng)變曲線在加載初期表現(xiàn)出較好的線性，隨著豎向荷載的增大，曲線下降相對(duì)緩慢。

對(duì)比圖8，9可知，無(wú)論是受拉側(cè)GFRP筋應(yīng)變還是受壓側(cè)GFRP筋應(yīng)變，都比相應(yīng)試件中受拉側(cè)和受壓側(cè)混凝土表面的應(yīng)變大，也就是說(shuō)在混凝土破壞之前，GFRP筋保持完好，并能有效地發(fā)揮其良好性能。3 結(jié) 語(yǔ)

（1）GFRP筋混凝土柱的破壞形式為受壓破壞，與鋼筋混凝土柱破壞形式相同，但是GFRP筋混凝土柱的破壞表現(xiàn)為脆性破壞，破壞前沒(méi)有明顯的預(yù)兆，試件內(nèi)部筋體大部分沒(méi)有發(fā)生斷裂，僅個(gè)別筋體發(fā)生剪切破壞。

（2）GFRP筋混凝土柱與鋼筋混凝土偏心受壓柱相同，隨著初始偏心距的減小，GFRP筋混凝土柱的承載力有增大趨勢(shì)。

（3）GFRP筋混凝土偏心受壓柱具有較大的承載力，在混凝土破壞之前，GFRP筋保持完好，并能有效地發(fā)揮其良好性能。

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