GFRP筋混凝土圓截面梁抗彎力學(xué)性能研究

【摘要】玻璃纖維增強復(fù)合材料（Glass Fiber Reinforced Polymer；簡稱GFRP）是一種具有良好受力性能和耐久性能的新型工程材料，近年來在邊坡支護工程、基坑支護工程等反面得到廣泛應(yīng)用。本文主要針對基坑支護采用的圓形GFRP筋混凝土圓截面支護樁在荷載作用下的抗彎力學(xué)性能進行實驗研究。

【關(guān)鍵詞】GFRP筋梁；抗彎力學(xué)性能；圓截面

1、引言

玻璃纖維（GFRP）筋具有耐腐蝕、強度高、質(zhì)量輕、耐電磁、易切割等優(yōu)點，是一種既能防腐又有良好力學(xué)性能的混凝土增強材料，已廣泛用于工程結(jié)構(gòu)建設(shè)。GFRP筋材主要優(yōu)點是制造成本低，同時強度高、絕緣性能好。不僅可用于腐蝕嚴(yán)重的環(huán)境中，提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。

針對基坑支護結(jié)構(gòu)的圓形GFRP筋混凝土圓截面支護樁基本力學(xué)性能研究較少，本文開展了以GFRP筋混凝土圓截面梁在荷載作用下的裂縫分布、極限承載力、應(yīng)力應(yīng)變變化情況和破壞形式研究，分析了GFRP加筋混凝土梁的荷載—變形關(guān)系、應(yīng)力應(yīng)變分布、裂縫分布、極限承載力和破壞形式等，為進一步在基坑支護等工程中開展應(yīng)用提供了試驗參考。

2、試驗方案

2.1 試驗概況

本文根據(jù)工程中比較常用的GFRP筋混凝土圓截面支護樁尺寸選擇試驗梁尺寸，并根據(jù)相關(guān)理論對模型量的彎矩極限值、最大剪力進行計算，試驗制作試驗梁1#、2#、3#進行平行試驗，梁長6米，截面直徑800毫米，混凝土設(shè)計強度等級為C30，配筋主筋采用12φ20 GRRP筋，配筋率1.33%，箍筋采用R235級直徑10mm的鋼筋，混凝土保護層厚度50mm，預(yù)估彎矩極限值256 kN·m，預(yù)估最大剪力530kN，模型梁箍筋布置如圖2.1所示。

2.2 加載裝置

加載裝置提供的構(gòu)件預(yù)估彎矩極限值719kN.m，推算單個反力架拉力為287.6kN，因此試驗中采用了50t的反力架兩個，大行程加載千斤頂，可滿足試驗要求。室內(nèi)試驗加載方式如圖2.2所示。

為了方便圓形截面梁的放置和加載，在梁的支撐、加載位置，試驗前根據(jù)截面的尺寸定做了鋼支座和加載箱。此外，在加載過程中，結(jié)合各梁的截面尺寸、長度和對加載設(shè)備的要求，在上述加載圖式基礎(chǔ)上，對不同截面梁的支撐位置、加載位置進行了微調(diào)，計算結(jié)果基于微調(diào)后的加載參數(shù)，對加筋梁性能分析無影響。

2.3 傳感器布置及試驗儀器

2.3.1 傳感器斷面布置

試驗主要采集的數(shù)據(jù)包括荷載大小、應(yīng)變分布和結(jié)構(gòu)變形，相應(yīng)的傳感器分別為壓力傳感器、電阻式應(yīng)變計和位移傳感器，同時配備相應(yīng)的采集儀。傳感器布置如圖2.3所示。

對于圓形截面梁，在跨中截面粘貼電阻式應(yīng)變計，具體布置情況如圖2.4所示。所有鋼筋應(yīng)變片在綁扎鋼筋階段進行布設(shè)，并采取了有效的保護措施。

2.4 試驗方法及步驟

1.試驗前對各構(gòu)件進行理論分析，掌握構(gòu)件的理論開裂荷載和極限破壞荷載。

2.根據(jù)開裂、極限破壞荷載進行合理的荷載分級，為獲得較好的荷載—撓度曲線，在開裂荷載附近及鋼筋屈服（條件屈服）附近，對荷載分級進行加密。

3.試驗步驟：

（1）試驗前將有關(guān)傳感器粘貼好（鋼筋應(yīng)變計在澆筑混凝土前預(yù)埋）；

（2）混凝土表面用石灰刷白，打上方格網(wǎng)；

（3）將試驗梁架設(shè)到試驗平臺上，調(diào)試加載設(shè)備和數(shù)據(jù)采集儀；

（4）進行初讀數(shù)，分級加載，每一級讀取荷載值、應(yīng)變值和變位，觀察裂縫開展情況，在梁表面進行標(biāo)示。

2.5 混凝土強度評定

試驗梁混凝土澆筑采用同一批混凝土，混凝土強度一方面通過同條件養(yǎng)生試塊進行試驗，另一方面對部分試驗梁在試驗后進行取芯進行測試。考慮到加載對混凝土性能的影響，取芯位置設(shè)在梁的端部附近。從最終試驗結(jié)果看，試塊強度與設(shè)計要求強度基本吻合，但取芯強度離散性較大。

3、試驗結(jié)果及分析

3.1裂縫發(fā)展情況

由試驗結(jié)果記錄的各梁裂縫隨荷載變化情況，可以看出，達到極限荷載后，在中部出現(xiàn)裂縫并逐漸延伸、擴大，破壞前裂縫寬度在0.96～1.24mm之間，其裂縫發(fā)展規(guī)律和傳統(tǒng)鋼筋混凝土梁類似。

3.2受力全過程及極限承載能力

由1#、2#、3#梁破壞形態(tài)及內(nèi)部GFRP-混凝土粘結(jié)情況分析整個加載過程，破壞位置出現(xiàn)在梁重點位置附近，破壞后出現(xiàn)了GFRP、混凝土玻璃的情況，部分暴露出來的GFRP筋尚未破壞。1#、2#、3#梁的荷載-撓度曲線如圖3.1所示，可以看出受力過程明顯可分為兩個工作階段：全截面彈性工作階段、曲線發(fā)展階段直至接近破壞，第一階段施加荷載大小約為160kN左右，隨后進入曲線發(fā)展階段，梁跨中彎矩值達到456kN.m，比預(yù)期承載能力大146%。1#、2#均達到抗彎破壞，3#梁在卸載過程中又出現(xiàn)粘結(jié)破壞如圖3.2所示。

3.3應(yīng)變情況

3.3.1鋼筋應(yīng)變

各梁鋼筋應(yīng)變發(fā)展情況與荷載撓度曲線基本相一致，在梁出現(xiàn)裂縫后，鋼筋應(yīng)變出現(xiàn)轉(zhuǎn)折。在試驗中GFRP鋼筋的最大應(yīng)變達到17800με，按彈模40GPa計算，鋼筋應(yīng)力水平為 712MPa。

3.3.2 混凝土應(yīng)變情況

混凝土受壓上緣粘貼有一個應(yīng)變片，實測壓應(yīng)變情況如圖3.4所示。從整個應(yīng)變曲線可以看出，整個試驗過程可分為破壞前和破壞后兩個階段，破壞前曲線大致呈線性，應(yīng)變值達到3100με左右，梁破壞后應(yīng)變急劇變小，中間無緩變過程。

結(jié)論：

（1）全GFRP筋梁的受力過程有兩個工作階段：①全截面彈性工作階段；②曲線發(fā)展階段直至接近破壞，第一階段施加荷載大小約為160kN左右，隨后進入曲線發(fā)展階段，梁跨中彎矩值達到456kNm，比預(yù)期承載能力大146%，表明全GFRP筋梁抗彎力學(xué)性能基本滿足工程需求；

（2）梁達到抗彎承載能力時，GFRP鋼筋的最大應(yīng)變達到17800με，與普通鋼筋梁的相當(dāng)；

（3）試驗中觀測到3#梁達到承載能力后，在卸載過程中發(fā)生筋材與混凝土之間的粘結(jié)破壞，有必要進一步改進GFRP筋與混凝土的粘結(jié)，研究在持久荷載作用下，結(jié)構(gòu)的受力性能。

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作者簡介：

謝濤，廣西建工集團基礎(chǔ)建設(shè)有限公司，廣西南寧。