GFRP肋式剪力連接件受力性能對(duì)比試驗(yàn)研究

黃海林，李遨，祝明橋，郭原草，曾垂軍

(湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

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GFRP肋式剪力連接件受力性能對(duì)比試驗(yàn)研究

黃海林，李遨，祝明橋，郭原草，曾垂軍

(湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

組合結(jié)構(gòu)；肋式剪力連接件；推出試驗(yàn)；破壞機(jī)理；粘結(jié)滑移

界面滑移是影響GFRP混凝土組合梁/板受力性能的重要因素。實(shí)際工程中，可在GFRP混凝土組合梁/板的界面增設(shè)剪力連接件保證GFRP與混凝土的協(xié)同工作，目前常用的方法有界面噴砂、粘貼GFRP剪力連接件[8]、預(yù)埋栓釘[9]以及采用膨脹劑連接等。其中，以粘貼GFRP剪力連接件和預(yù)埋栓釘?shù)姆椒ㄗ顬榭煽浚瑸榇?，GB 50608—2010《纖維增強(qiáng)復(fù)合材料建設(shè)工程應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》規(guī)定：GFRP混凝土組合梁的界面應(yīng)粘貼樹(shù)脂混凝土條、GFRP波形板、GFRP小工字梁等有效的剪力連接件保證界面可靠連接。為改善下部GFRP構(gòu)件與上部混凝土的界面粘結(jié)性能，Kubo等[10]、Cho等[11]、Bank等[8, 12]、Fam等[5]、Keller等[13]、楊勇等[14]、黃輝等[15]、薛偉辰等[16]，分別借助不同構(gòu)造做法各自開(kāi)發(fā)了GFRP混凝土組合橋面板，其共同點(diǎn)在于：在GFRP底模上增設(shè)GFRP板肋，伸出的板肋兼作為剪力連接件。

圍繞GRRP混凝土組合梁/板中剪力連接件的力學(xué)性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了初步探索，主要有：Nguyen等[17]通過(guò)在GFRP工字形構(gòu)件上預(yù)埋抗剪栓釘，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[16]、Nam等[18]也分別對(duì)開(kāi)孔板GFRP剪力連接件進(jìn)行了推出試驗(yàn)研究。以上推出試驗(yàn)研究為GFRP剪力連接件的工程應(yīng)用提供了理論依據(jù)，但主要集中在栓釘和矩形開(kāi)孔板兩種形式。為此，筆者提出一種增設(shè)有T形肋或矩形肋剪力連接件的GFRP空心箱形構(gòu)件，如圖1所示。整個(gè)GFRP空心箱形構(gòu)件通過(guò)拉擠工藝一次成型，能很好的保證伸出的剪力連接件與下部空心箱形構(gòu)件形成整體共同受力，并通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)重點(diǎn)研究了肋內(nèi)開(kāi)孔及肋的截面形式對(duì)GFRP肋式剪力連接件受力性能的影響。

圖1 GFRP空心箱形構(gòu)件Fig.1 GFRP hollow box

1 推出試件設(shè)計(jì)與制作

1.1 推出試件設(shè)計(jì)

參考?xì)W洲規(guī)范4設(shè)計(jì)了3組共8個(gè)GFRP肋式剪力連接件，包括矩形肋開(kāi)孔、T形肋開(kāi)孔以及T形肋不開(kāi)孔3組GFRP肋式剪力連接件，編號(hào)分別為JK1～JK2、TK1～TK3及T1～T3。每個(gè)推出試件由中間GFRP空心箱形構(gòu)件與左右兩邊混凝土塊組成。推出試件設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2。推出試件GFRP材性參數(shù)見(jiàn)表1，混凝土立方體抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)平均值為31.2 MPa。

圖2 推出試件設(shè)計(jì)Fig.2 Push-out specimens

質(zhì)量密度/(kg·m-3)縱向拉伸強(qiáng)度/MPa縱向壓縮強(qiáng)度/MPa橫向拉伸強(qiáng)度/MPa縱向拉伸彈性模量/GPa20004732652413.8

1.2 推出試件制作

推出試件的中間GFRP空心箱形構(gòu)件由兩個(gè)增設(shè)有剪力連接件的GFRP箱型構(gòu)件，通過(guò)粘接組合成型。粘貼步驟：首先，用砂紙打磨GFRP表面，打磨方向呈45°；隨后，清理表面的灰塵并用酒精洗凈；在GFRP粘貼面上抹結(jié)構(gòu)膠并對(duì)中按壓；最后，養(yǎng)護(hù)7 d，成型后的中間GFRP構(gòu)件見(jiàn)圖3。為避免加載時(shí)頂端GFRP上的局壓應(yīng)力過(guò)大而導(dǎo)致局壓破壞，在頂端空心箱中用混凝土灌實(shí)，灌實(shí)長(zhǎng)度為150 mm。

圖3 拼接成型后的中間GFRP空心箱形構(gòu)件Fig.3 GFRP hollow box components after

2 試驗(yàn)裝置、加載方案及測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)用主要設(shè)備有：大剛度反力門(mén)架、250 t千斤頂、JMZX智能振弦實(shí)心荷載傳感器、DH3816靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試分析系統(tǒng)以及百分表。試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖4。

圖4 試驗(yàn)裝置Fig.

加載分預(yù)加載和正式加載兩階段。預(yù)加載時(shí)每級(jí)荷載取10 kN，荷載上限取0.1倍計(jì)算極限荷載；正式加載分2個(gè)控制階段，開(kāi)裂前采用力控制加載，每級(jí)荷載取計(jì)算極限荷載的1/20，開(kāi)裂后改由位移控制加載，每級(jí)位移加載取0.2 mm。

為測(cè)量GFRP肋式剪力連接件的應(yīng)變變化規(guī)律，在矩形肋、T形肋以及GFRP空心箱的側(cè)壁上布置應(yīng)變片，應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖5。

圖5 應(yīng)變片布置示意圖Fig.5 Strain gauge

為測(cè)量GFRP與混凝土粘貼界面的豎向滑移和混凝土塊的水平側(cè)移，分別布置了2個(gè)百分表，布置示意如圖6所示。

圖6 百分表布置示意圖Fig.6 Displacement transducer

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3組試件的主要試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。其中，pu為極限承載力、su為極限承載力對(duì)應(yīng)的滑移量。

表2 推出試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results

3.1 試驗(yàn)過(guò)程及破壞形態(tài)

1)兩類(lèi)GFRP肋式剪力連接件受力全過(guò)程

矩形肋開(kāi)孔試件JK1～JK2：兩個(gè)試件表現(xiàn)出基本相同的受力性能，下面,僅以試件JK1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)定上升，滑移變化較小。354 kN時(shí)，左右兩邊混凝土塊頂面沿矩形肋端部邊緣突然出現(xiàn)45°角斜主裂縫；繼續(xù)加載，左右兩邊混凝土塊內(nèi)表面底部同時(shí)出現(xiàn)人字形劈裂縫，該裂縫始于底部矩形肋最外邊緣并同時(shí)向兩側(cè)呈人字形延伸，左右兩邊混凝土塊外表面頂部出現(xiàn)一些細(xì)小的豎向劈裂縫、且不斷向下延伸；389 kN時(shí)，兩邊混凝土塊出現(xiàn)劈裂破壞，破壞始于兩邊混凝土塊頂面的斜主裂縫迅速擴(kuò)展，破壞時(shí)GFRP肋式剪力連接件基本完整。典型破壞形態(tài)及裂縫分布見(jiàn)圖7。

圖7 矩形肋試件典型破壞形態(tài)及裂縫分布圖Fig.7 Typical failure pattern and crack

圖8 T形肋試件典型破壞形態(tài)及裂縫分布圖Fig.8 Typical failure pattern and crack

2)肋內(nèi)開(kāi)孔對(duì)試件受力性能的影響

T形肋不開(kāi)孔試件T1～T3呈現(xiàn)出與T形肋開(kāi)孔試件TK1～TK3基本相同的受力性能，其最終破壞形態(tài)與裂縫分布機(jī)理相同，最終左右兩邊混凝土塊出現(xiàn)劈裂破壞，破壞始于混凝土塊內(nèi)表面底部的八字形劈裂主裂縫，破壞時(shí)GFRP肋式剪力連接件基本完整；區(qū)別在于T形肋開(kāi)孔后，孔內(nèi)混凝土榫產(chǎn)生的銷(xiāo)栓效應(yīng)明顯提高了試件的極限承載力，改善了試件的抗剪延性，對(duì)比表2可知，T形肋開(kāi)孔后，平均強(qiáng)度提高48.8%，極限強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的平均滑移增大53.3%?？梢?jiàn)，T形肋開(kāi)孔后，能顯著改善GFRP肋式剪力連接件的受力性能，但不能改變其最終破壞形態(tài)。

3)肋的截面形式對(duì)試件受力性能的影響

對(duì)比矩形肋開(kāi)孔試件JK1～JK2與T形肋開(kāi)孔試件TK1～TK3，可以發(fā)現(xiàn)：兩者開(kāi)孔形式相同，肋的截面形式不同，T形肋明顯增大了GFRP與混凝土的接觸面積；盡管最終破壞時(shí)兩類(lèi)試件均為混凝土劈裂破壞，但破壞時(shí)起控制的主裂縫不同，矩形肋開(kāi)孔試件破壞始于左右兩邊混凝土塊頂面的斜主裂縫迅速擴(kuò)展，而T形肋開(kāi)孔試件破壞始于混凝土塊內(nèi)表面底部八字形劈裂主裂縫迅速擴(kuò)展。根據(jù)表2，對(duì)比矩形肋開(kāi)孔試件的平均強(qiáng)度，T形肋不開(kāi)孔試件、T形肋開(kāi)孔試件分別高出6.0%、57.7%，可見(jiàn)肋的截面形式對(duì)試件承載力的影響要遠(yuǎn)大于孔內(nèi)混凝土榫對(duì)試件承載力的影響，因此，實(shí)際工程中若需要較高的抗剪強(qiáng)度，建議首先采用T形肋，其次可在肋內(nèi)開(kāi)孔；對(duì)比T形肋開(kāi)孔試件極限強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的平均滑移，矩形肋開(kāi)孔試件小13.3%，可見(jiàn)T形肋比矩形肋試件的延性要好。

圖9 荷載滑移曲線Fig.9 Load versus slip curves

3.3 GFRP肋式剪力連接件軸向壓應(yīng)變變化規(guī)律

圖10 GFRP肋式剪力連接件肋上 荷載軸向壓應(yīng)變曲線Fig.10 Load versus strain curves in the ribs

3.4 GFRP空心箱體側(cè)壁軸向壓應(yīng)變變化規(guī)律

圖11 GFRP空心箱體側(cè)壁 荷載軸向壓應(yīng)變曲線Fig.11 Load versus strain curves in the GFRP

4 GFRP肋式剪力連接件受力性能計(jì)算

4.1 GFRP肋式剪力連接件極限承載力計(jì)算公式

基于以上試驗(yàn)研究結(jié)果可知，兩類(lèi)GFRP肋式剪力連接件最終破壞均由混凝土劈裂破壞控制，GFRP肋式剪力連接件基本完整，影響GFRP肋式剪力連接件極限承載力的主要因素有：1)左右兩邊混凝土塊的強(qiáng)度；2)GFRP肋式剪力連接件中肋的截面形式，主要包括矩形肋和T形肋兩種情況；3)肋內(nèi)孔洞內(nèi)混凝土榫提供的銷(xiāo)栓力。GFRP肋式剪力連接件極限承載力Vu計(jì)算公式為

(1)

(2)

(3)

式(1)中:Vc1為混凝土榫所提供的抗剪銷(xiāo)栓力，按式(2)進(jìn)行計(jì)算；Vc2為左右兩邊混凝土塊所提供的強(qiáng)度，按式(3)進(jìn)行計(jì)算。需要說(shuō)明的是，對(duì)于T形不開(kāi)孔試件，其極限承載力僅取決于左右兩邊混凝土塊的強(qiáng)度，故式(1)應(yīng)改為Vu=Vc2。

式(2)中:n1為混凝土榫的數(shù)目；α1為孔洞截面系數(shù)，對(duì)于圓孔可取1.0；α2為剪力連接件截面形狀系數(shù)，T形肋剪力連接件建議取1.2，矩形剪力連接件建議取1.0；Ac為單個(gè)孔洞截面面積；ft混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

式(3)中:n2為混凝土塊的數(shù)目，取2.0；η為兩邊混凝土塊共同受力均勻系數(shù)，取值不超過(guò)1.0，主要表明兩邊混凝土塊共同受力的均勻度，本文中取1.0；b為混凝土塊厚度；h為混凝土塊高度；αb、αh分別為與混凝土塊厚度b、高度h有關(guān)的承載力折減系數(shù)，取值不超過(guò)1.0，主要反映混凝土塊參與受力面的面積大小，本文中T形肋試件αb與αh均取1.0，矩形肋試件αb與αh分別取0.88和1.0。

根據(jù)式(1)～(3)計(jì)算的GFRP肋式剪力連接件承載力計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，對(duì)于矩形肋開(kāi)孔試件與T形肋不開(kāi)孔試件，按本文公式計(jì)算的極限承載力與試驗(yàn)值吻合很好；對(duì)于T形肋開(kāi)孔試件，按本文公式計(jì)算的極限承載力具備較高的安全儲(chǔ)備。

表3 GFRP肋式剪力連接件承載力 試驗(yàn)值與計(jì)算值對(duì)比結(jié)果Table 3 Comparison of ultimate shearing capabilitybetween test value and calculated value

4.2 抗剪剛度計(jì)算公式

(4)

式中：s表示界面滑移，p為承載力；pu為GFRP肋式剪力連接件的極限承載力；α、β的取值與肋內(nèi)開(kāi)孔情況、肋的截面形式相關(guān)，其取值為

圖12 荷載滑移擬合曲線Fig.12 Load versus slip fitting

矩形肋開(kāi)孔試件：α=0.468，β=0.830

T形肋開(kāi)孔試件：α=0.668，β=0.770

T形肋不開(kāi)孔試件：α=0.509，β=0.661

(5)

式中：pu為GFRP肋式剪力連接件的極限承載力；s0.4pu為荷載達(dá)到0.4pu時(shí)所對(duì)應(yīng)的滑移量。

將p=0.4pu代入式(4)，得

(6)

故最終抗剪剛度K為

(7)

5 結(jié) 論

通過(guò)3組共8個(gè)GFRP肋式剪力連接件的推出試驗(yàn)，重點(diǎn)研究肋內(nèi)開(kāi)孔及肋的截面形式對(duì)GFRP肋式剪力連接件受力性能的影響，其結(jié)論如下：

1)所有試件均呈相同的破壞機(jī)理，最終破壞時(shí)混凝土出現(xiàn)劈裂破壞，GFRP肋式剪力連接件基本完整。

2)對(duì)比矩形肋開(kāi)孔GFRP肋式剪力連接件，T形肋開(kāi)孔GFRP肋式剪力連接件能提供更高的抗剪強(qiáng)度以及更好的抗剪延性；對(duì)比T形肋不開(kāi)孔剪力連接件，肋內(nèi)開(kāi)孔后，T形肋開(kāi)孔GFRP肋式剪力連接件能提供更高的抗剪強(qiáng)度以及更好的抗剪延性。

3)基于試驗(yàn)得到的破壞機(jī)理，建立了考慮肋內(nèi)開(kāi)孔情況及肋截面形式影響的GFRP肋式剪力連接件極限承載力計(jì)算公式。

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(編輯 王秀玲)

National Natural Science Foundation of China(No.51308207，No.51378202)；Project of Hunan Province Education Office (No. 14C0439).

Comparative analysis of push-out tests for two kinds of GFRP shear connectors

Huang Hailin,Li Ao,Zhu Mingqiao,Guo Yuancao,Zeng Chuijun

(College of Civil Engineering, Hunan University of Science and Technology,Xiangtan 411201,Huan,P.R.China)

Shear connectors are the important detailings affecting the mechanical properties of GFRP-concrete composite beams/decks. Rectangular rib and T-type rib GFRP shear connectors are put forward to improve the interfacial bond properties between GFRP and concrete. Eight push-out tests are conducted to evaluate the mechanical behaviors of two rectangular perforated rib GFRP shear connectors and three T-type perforated rib GFRP shear connectors, as well as three T-type rib GFRP shear connectors. The failure patterns, ultimate bearing capacities, load-slip behaviors and load-strain regularities are obtained by contrast tests. Results show that T-type perforated rib GFRP shear connectors show higher strength and better ductility than rectangular perforated rib GFRP shear connectors, and T-type perforated rib GFRP shear connectors show higher strength and better ductility than T-type rib GFRP shear connectors. An empirical equation to predict the ultimate shear resistance is proposed and validated by the experimental data. Idealized load-lip models and equations to predict the load versus slip relationship for all specimens are proposed. Curve fittings are performed to find fitting parameters for all tested specimens and the results show a very good correlation with those of the experiments. An empirical equation to predict the shear rigidity is proposed.

composite structure; shear connector; push-out test; failure mechanism; bond-slip behavior

10.11835/j.issn.1674-4764.2016.05.005

2015-12-02

國(guó)家自然科學(xué)基金(51308207、51378202)；湖南省教育廳項(xiàng)目(14C0439)

黃海林(1984-)，男，博士，主要從事組合結(jié)構(gòu)及新材料應(yīng)用研究，(E-mail)hhlvsgenius@163.com。

U443; TU398

A

1674-4764(2016)05-0034-09

Received:2015-12-02

Author brief：Huang Hailin(1984-)，PhD，main research interests:composite structure and application of new materials,(E-mail)hhlvsgenius@163.com.