T形肋GFRP抗剪連接件的靜載推出試驗(yàn)

黃海林　賓智　祝明橋　曾垂軍　呂偉榮

摘要：為改善玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GFRP）與混凝土的界面粘結(jié)性能，進(jìn)行了3組共計(jì)9個(gè)T形肋GFRP抗剪連接件的靜載推出試驗(yàn)，主要考慮了T形肋內(nèi)開(kāi)孔及橫向穿孔鋼筋2個(gè)參數(shù)對(duì)其抗剪性能的影響，得到了破壞形態(tài)、裂縫分布規(guī)律及荷載相對(duì)滑移關(guān)系，分析了T形肋對(duì)GFRP抗剪連接件粘結(jié)滑移性能、極限承載力以及破壞機(jī)理的影響?；谠囼?yàn)得到的破壞機(jī)理建立了T形肋GFRP抗剪連接件的極限承載力計(jì)算公式。結(jié)果表明：T形肋增加了GFRP抗剪連接件與混凝土的接觸面積，提高了界面的粘結(jié)力；界面出現(xiàn)滑移后，T形肋孔內(nèi)的混凝土榫或鋼筋混凝土榫能提供更好的抗剪性能；孔內(nèi)是否配置橫向穿孔鋼筋將導(dǎo)致試件出現(xiàn)2種不同的破壞形態(tài)。

關(guān)鍵詞：抗剪連接件；GFRP；推出試驗(yàn)；T形肋；粘結(jié)滑移；極限承載力；破壞機(jī)理

中圖分類號(hào)：TU398文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract： In order to improve the interfacial bond properties between GFRP and concrete， pushout tests were conducted to investigate the mechanical behaviors of nine Ttype rib GFRP shear connectors， considering the effects of holes and horizontal perforated steel bars. The failure patterns， crack distribution rules and loadslip relationships， were obtained by contrast experiments. The loadslip behaviors， damage mechanisms and ultimate bearing capacities were analyzed. The formulae of ultimate bearing capacity were proposed. The results show that contact surface areas are increased and interfacial bond properties between Ttype rib GFRP shear connectors and concrete are improved. Concrete tenon or rebar tenon of Ttype perfobond rib GFRP shear connectors can provide better shear capabilities after interface slipping. Whether the configuring of horizontal perforated steel bars lead to two different failure patterns.

Key words： shear connector； GFRP； pushout test； Ttype rib； bondslip behavior； ultimate bearing capacity； failure mechanism

0引言

玻璃纖維增強(qiáng)塑料（Glass Fiber Reinforced Plastic，GFRP）是由玻璃纖維與樹(shù)脂基體材料復(fù)合而成，可經(jīng)過(guò)壓制、纏繞、拉擠等工藝加工成各種工程結(jié)構(gòu)用型材。GFRP混凝土組合結(jié)構(gòu)是將GFRP構(gòu)件和混凝土澆筑成為整體而共同受力的一種結(jié)構(gòu)，它能夠充分發(fā)揮GFRP受拉與混凝土受壓性能好的優(yōu)點(diǎn)，是工程結(jié)構(gòu)的重要發(fā)展方向之一[13]。在這種組合結(jié)構(gòu)中，GFRP構(gòu)件和混凝土之間可以通過(guò)抗剪連接件實(shí)現(xiàn)共同工作，因此抗剪連接件在GFRP混凝土組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中顯得非常重要。為改善下部GFRP構(gòu)件與上部混凝土的界面粘結(jié)性能，Matsui等[4]、韓國(guó)建設(shè)技術(shù)委員會(huì)等[5]、Bank等[6]、范海豐等[3]、楊勇等[7]、薛偉辰等[8]以及黃輝等[9]分別借助不同構(gòu)造做法各自開(kāi)發(fā)了GFRP混凝土雙向組合橋面板，實(shí)現(xiàn)了雙向配筋，其共同點(diǎn)在于：在GFRP底板上增設(shè)GFRP板肋，伸出的板肋兼作為抗剪連接件；同時(shí)在板肋內(nèi)預(yù)留孔洞，通過(guò)在預(yù)留孔洞內(nèi)配置橫向穿孔GFRP筋或普通鋼筋，實(shí)現(xiàn)雙向受力。

圍繞GFRP與混凝土之間的界面滑移特性，各國(guó)學(xué)者進(jìn)行了一系列推出試驗(yàn)研究：Nguyen等[10]通過(guò)在GFRP工字形構(gòu)件上預(yù)埋栓釘連接件，進(jìn)行了采用栓釘?shù)腉FRP超高性能纖維改性混凝土界面推出試驗(yàn)研究；薛偉辰等[8]、Nam等[11]分別對(duì)開(kāi)孔板GFRP抗剪連接件進(jìn)行了推出試驗(yàn)研究。以上推出試驗(yàn)研究為GFRP抗剪連接件的工程應(yīng)用提供了理論依據(jù)，但主要集中在栓釘與開(kāi)孔板連接件2種形式。本文進(jìn)行了T形肋GFRP抗剪連接件的靜載推出試驗(yàn)研究，主要考慮了T形肋內(nèi)開(kāi)孔及橫向穿孔鋼筋2個(gè)參數(shù)對(duì)其抗剪性能的影響，得到了其破壞機(jī)理，基于破壞機(jī)理提出了該新型抗剪連接件的極限承載力計(jì)算公式，可供工程設(shè)計(jì)參考。1試驗(yàn)方案

1.1試件設(shè)計(jì)與制作

本文設(shè)計(jì)制作了如圖1所示的增設(shè)有T形肋抗剪連接件的GFRP箱形構(gòu)件，整個(gè)GFRP箱形構(gòu)件通過(guò)拉擠工藝一次成型，能很好地保證伸出的T形肋抗剪連接件與下部空心箱形構(gòu)件形成整體共同受力。設(shè)計(jì)并制作了3組共計(jì)9個(gè)T形肋GFRP抗剪連接件的靜載推出試件，包括：T形肋不開(kāi)孔試件、T形肋開(kāi)孔試件、T形肋開(kāi)孔且貫穿鋼筋試件，編號(hào)分別為11～13，31～33，51～53。推出試件規(guī)格見(jiàn)表1，推出試件設(shè)計(jì)分別見(jiàn)圖2～4。

1.2位移測(cè)量方案

受力性能，下面僅以試件12為代表，來(lái)說(shuō)明本組試件從開(kāi)始加載到最終破壞的受力全過(guò)程。開(kāi)裂前相對(duì)滑移較小，荷載穩(wěn)定增長(zhǎng)。力加載至386 kN時(shí)，相對(duì)滑移為1.340 mm，聽(tīng)到細(xì)微的響聲，左邊混凝土塊內(nèi)表面底部出現(xiàn)八字形剪切主裂縫，寬度約0.15～0.25 mm。開(kāi)裂后改由位移控制加載，荷載相對(duì)滑移曲線進(jìn)入下降段，相對(duì)滑移加載至1.540 mm時(shí)，荷載下降至383 kN，左邊混凝土塊頂面沿T形連接件邊緣出現(xiàn)45°角斜裂縫。相對(duì)滑移加載至1.740 mm時(shí)，荷載下降至367 kN，左邊混凝土塊外表面底部中心位置出現(xiàn)豎向劈裂裂縫，裂縫寬度約0.2 mm。相對(duì)滑移加載至2.140 mm時(shí)，荷載下降至360 kN，此時(shí)八字形剪切主裂縫寬度超過(guò)1.5 mm，繼續(xù)加載，最終右邊混凝土塊未出現(xiàn)明顯剪切裂縫，左邊混凝土塊突然出現(xiàn)剪切破壞，而GFRP抗剪連接件基本完整。典型破壞形態(tài)及裂縫分布如圖9（a）～（c）所示。這里需要說(shuō)明的是，由于推出試驗(yàn)采用的是集中加載，加載當(dāng)中微小的初始偏心會(huì)影響到推出試件左右兩邊的均勻受力程度，為此最終破壞時(shí)3個(gè)試件左右兩邊的混凝土塊并不是全部同時(shí)出現(xiàn)剪切破壞。

2.1.2T形開(kāi)孔試件31～33

試驗(yàn)過(guò)程中試件31～33基本表現(xiàn)出相同的受力性能，下面僅以試件31為代表，來(lái)說(shuō)明本組試件從開(kāi)始加載到最終破壞的受力全過(guò)程。開(kāi)裂前荷載穩(wěn)定增長(zhǎng)，相對(duì)滑移變化較小。力加載至373 kN時(shí)，相對(duì)滑移為1.055 mm，聽(tīng)到細(xì)微響聲，左邊混凝土塊內(nèi)表面底部出現(xiàn)八字形剪切主裂縫，寬度約0.1 mm。開(kāi)裂后改由位移控制加載，隨著荷載級(jí)數(shù)的增加，裂縫不斷延伸，左邊混凝土塊外表面底部出現(xiàn)一些細(xì)小的裂縫，靠近中間位置有1條向上延伸的豎向劈裂裂縫。相對(duì)滑移加載至1.728 mm時(shí)，荷載上升至480 kN，左右兩邊混凝土塊頂面沿T形連接件邊緣出現(xiàn)45°角斜裂縫。相對(duì)滑移加載至2.038 mm時(shí)，荷載上升至551 kN，右邊混凝土塊內(nèi)表面底部突然出現(xiàn)八字形剪切主裂縫，此時(shí)左邊混凝土塊內(nèi)表面底部八字形剪切主裂縫寬度約2 mm，荷載相對(duì)滑移曲線進(jìn)入下降段。繼續(xù)加載，最終左右兩邊混凝土塊突然出現(xiàn)剪切破壞，而GFRP抗剪連接件基本完整。典型破壞形態(tài)及裂縫分布如圖9（d）～（f）所示。

2.1.3T形開(kāi)孔且貫穿鋼筋試件51～53

試驗(yàn)過(guò)程中試件51～53基本表現(xiàn)出相同的受力性能，下面僅以試件52為代表，來(lái)說(shuō)明本組試件從開(kāi)始加載到最終破壞的受力全過(guò)程。開(kāi)裂前荷載穩(wěn)定增長(zhǎng)，相對(duì)滑移變化較小。力加載至426 kN時(shí)，相對(duì)滑移為0.573 mm，聽(tīng)到細(xì)微響聲，右邊混凝土塊內(nèi)表面底部出現(xiàn)八字形剪切裂縫，寬度未超過(guò)0.1 mm。開(kāi)裂后改由位移控制加載，相對(duì)滑移加載至0.652 mm，荷載上升至470 kN時(shí)，右邊混凝土塊外表面底部出現(xiàn)一些細(xì)小的裂縫，靠近中間位置有2條向上延伸的豎向劈裂裂縫。位移加載至1.800 mm，荷載達(dá)到最大值666 kN時(shí)，荷載相對(duì)滑移曲線開(kāi)始進(jìn)入下降段。最后位移加載至2.600 mm，荷載下降至630 kN時(shí)，聽(tīng)到清脆的斷裂聲，相對(duì)滑移量突變，左右兩邊抗剪連接件根部同時(shí)被剪斷，此時(shí)兩邊混凝土塊外表面底部及內(nèi)表面底部的裂縫發(fā)展十分穩(wěn)定，基本維持在剛開(kāi)裂時(shí)的狀態(tài)，兩邊混凝土塊頂面未出現(xiàn)斜裂縫。典型破壞形態(tài)及裂縫分布如圖9（g）～（i）所示。

2.2荷載相對(duì)滑移關(guān)系

抗剪連接件的力學(xué)性能可以由荷載相對(duì)滑移曲線來(lái)反映，荷載相對(duì)滑移曲線規(guī)律取決于：①混凝土塊的抗剪能力，影響因素包括混凝土塊截面尺寸及強(qiáng)度、T形肋孔內(nèi)混凝土榫或鋼筋混凝土榫的銷栓力；②GFRP連接件的抗剪能力。各試件的荷載相對(duì)滑移曲線如圖10所示。由圖10可知，3組試件的荷載相對(duì)滑移曲線經(jīng)歷了3個(gè)階段：①線性階段，初期加載時(shí)，荷載穩(wěn)定增長(zhǎng)，荷載隨相對(duì)滑移的增大基本呈直線變化，相對(duì)滑移量很小；②非線性階段，當(dāng)荷載緩慢增大到一定程度時(shí)，荷載隨相對(duì)滑移的增大呈非線性變化，相對(duì)滑移增大的速度超過(guò)荷載上升的速度，荷載相對(duì)滑移曲線偏向滑移軸，直至達(dá)到試件的極限荷載；③下降階段，連接件承受的荷載下降，而相對(duì)滑移迅速增大。

由于T形不開(kāi)孔試件的界面抗滑移性能主要取決于GFRP與混凝土的粘結(jié)力，而T形開(kāi)孔試件在T形肋內(nèi)增設(shè)有孔洞，澆筑混凝土后形成混凝土榫，當(dāng)界面出現(xiàn)滑移時(shí)，混凝土榫能明顯改善試件的抗滑移性能。當(dāng)荷載相對(duì)滑移進(jìn)入非線性階段后，T形不開(kāi)孔試件的相對(duì)滑移增長(zhǎng)速度明顯快于荷載上升的速度，使得曲線迅速偏向相對(duì)滑移軸。對(duì)比圖10（a），（b）可以發(fā)現(xiàn)，達(dá)到極限承載力時(shí)，T形不開(kāi)孔試件的相對(duì)滑移要大于T形開(kāi)孔試件。

當(dāng)在T形肋孔洞內(nèi)配置橫向穿孔鋼筋時(shí)，澆筑混凝土后會(huì)形成鋼筋混凝土榫，當(dāng)界面出現(xiàn)滑移時(shí)，鋼筋混凝土榫提供的抗剪能力要大于混凝土榫。對(duì)比圖10（b），（c）可以發(fā)現(xiàn)，達(dá)到極限承載力時(shí)，T形開(kāi)孔且貫穿鋼筋試件的相對(duì)滑移要小于T形開(kāi)孔試件。

2.3破壞機(jī)理

T形肋內(nèi)是否開(kāi)孔以及孔洞內(nèi)是否配置橫向穿孔鋼筋，將直接導(dǎo)致試件出現(xiàn)2種不同的破壞形態(tài)。

2.3.1第1種破壞形態(tài)

T形不開(kāi)孔試件與T形開(kāi)孔試件基本表現(xiàn)出相同的破壞形態(tài)。在加載過(guò)程中，首先在混凝土塊內(nèi)表面底部靠近T形肋附近出現(xiàn)八字形剪切裂縫，并隨著荷載的不斷增大，在混凝土塊頂面靠近T形肋附近、混凝土塊外表面底部中心位置出現(xiàn)剪切裂縫，達(dá)到極限承載力時(shí)，混凝土塊內(nèi)、外表面及頂面的裂縫有封閉貫通趨勢(shì)，最終混凝土塊出現(xiàn)剪切破壞，內(nèi)表面底部八字形剪切裂縫處混凝土脫落嚴(yán)重，破壞時(shí)GFRP抗剪連接件基本完整。

2.3.2第2種破壞形態(tài)

T形開(kāi)孔且貫穿鋼筋試件呈現(xiàn)出與無(wú)貫穿鋼筋試件完全不同的破壞形態(tài)。T形肋內(nèi)的橫向穿孔鋼筋與混凝土形成鋼筋混凝土榫，明顯提高了左右兩邊混凝土塊的抗剪能力，使得混凝土塊的抗剪能力明顯大于GFRP抗剪連接件。因此，在加載過(guò)程中，混凝土塊基本未開(kāi)裂或裂縫寬度很小，最終中間GFRP抗剪連接件根部被剪斷。3極限承載力計(jì)算

根據(jù)前文試驗(yàn)結(jié)果給出的試件2種不同破壞形態(tài)，分別建立不同的極限承載力計(jì)算公式。

3.1混凝土剪切破壞時(shí)的極限承載力

件與混凝土塊的接觸面積，增強(qiáng)了界面的粘結(jié)力。界面出現(xiàn)滑移后，T形肋開(kāi)孔試件由于孔內(nèi)混凝土榫或鋼筋混凝土榫的銷栓效應(yīng)，能提供更好的抗剪能力。

（2）推出試件的抗剪能力由左右兩邊混凝土塊與中間T形肋GFRP抗剪連接件提供，其最終破壞形態(tài)取決于兩者抗剪強(qiáng)度的強(qiáng)弱對(duì)比。當(dāng)無(wú)橫向穿孔鋼筋時(shí)，左右兩邊混凝土的抗剪強(qiáng)度弱于中間T形肋GFRP抗剪連接件，故最終混凝土出現(xiàn)剪切破壞，GFRP抗剪連接件基本完整。當(dāng)有橫向穿孔鋼筋時(shí)，中間T形肋GFRP抗剪連接件的抗剪強(qiáng)度弱于左右兩邊混凝土塊，故最終GFRP抗剪連接件根部剪斷，左右兩邊混凝土塊基本完整。

（3）基于試件2種不同的破壞形態(tài)，分別建立了無(wú)橫向穿孔鋼筋和有橫向穿孔鋼筋的極限承載力計(jì)算公式，當(dāng)采用本文公式計(jì)算時(shí)具備足夠的安全富余系數(shù)，可為工程設(shè)計(jì)提供參考。

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