GFRP型材-混凝土組合梁受彎性能試驗

黃海林，周福林，言 興，李 遨，黃 曙

(1. 湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南湘潭 411201； 2. 湖南科技大學(xué)結(jié)構(gòu)抗風(fēng)與振動控制湖南省重點實驗室，湖南湘潭 411201； 3. 長沙市人防工程服務(wù)中心，湖南長沙 410013)

0 引 言

長期以來，土木工程中鋼材的銹蝕問題嚴重影響了結(jié)構(gòu)的使用性能，纖維增強復(fù)合材料(Fiber Reinforced Polymer，F(xiàn)RP)因其輕質(zhì)高強、抗氧化、絕熱絕緣、耐腐蝕性好等優(yōu)點，使其成為解決鋼材耐久性問題的主要替代材料之一。FRP可應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域形成全FRP結(jié)構(gòu)與FRP-混凝土組合結(jié)構(gòu)[1-4]，但全FRP結(jié)構(gòu)存在初次投入大、剛度小、容易局壓破壞等缺點。為此，可將FRP置于受拉區(qū)，混凝土置于受壓區(qū)形成FRP-混凝土組合結(jié)構(gòu)。研究表明，F(xiàn)RP-混凝土組合結(jié)構(gòu)是一種合理的結(jié)構(gòu)形式[5]。該結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮混凝土的抗壓強度和FRP抗拉強度且FRP型材可兼為模板，便于施工。此外，F(xiàn)RP耐腐蝕性的特點還可節(jié)省大量后期維護費用。

近年來，玻璃纖維增強復(fù)合材料(GFRP)在工程結(jié)構(gòu)的維修和加固中得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展[6]，各國學(xué)者對GFRP的研究也日益成熟。一些學(xué)者針對不同截面形式的GFRP型材與混凝土形成的組合構(gòu)件開展了靜力試驗研究[7-15]及有限元分析[16-17]，還進行了GFRP-混凝土界面黏結(jié)試驗[18]。研究結(jié)果表明，GFRP型材-混凝土組合構(gòu)件具有較高的抗彎、抗壓承載力，破壞模式多為GFRP型材剪切破壞，剛度相對全GFRP梁提高較多，GFRP表面采用噴砂處理可有效傳遞界面剪力。

上述研究主要圍繞GFRP型材-混凝土界面單一連接方式或?qū)FRP型材完全置于混凝土內(nèi)共同組合受力，對于如何保證GFRP和混凝土的協(xié)同工作能力，充分發(fā)揮2種材料的性能，提高其承載能力還有待進一步研究。由于GFRP與混凝土的界面連接及組合形式對組合梁的受力性能影響較大,因此采用合理的連接方式對于確保GFRP型材-混凝土組合梁中上下部構(gòu)件協(xié)同受力至關(guān)重要。目前GFRP型材與混凝土的連接方式主要包括：黏結(jié)粗砂粒的連接件連接方式[19]、環(huán)氧膠黏結(jié)連接方式[20]、GFRP工字梁式連接件連接方式[18]。本文提出一種將GFRP工字型材的上翼緣埋于混凝土板內(nèi)的GFRP型材-混凝土組合梁，該新型組合梁具有以下顯著優(yōu)點：①由于GFRP上翼緣埋于混凝土板內(nèi)，可以有效防止2種材料出現(xiàn)掀起現(xiàn)象；②混凝土與GFRP的接觸面積增大，可以有效增強其協(xié)同變形能力；③在承受偶然負彎矩的情況下，GFRP工字型材上翼緣可承擔(dān)負彎矩引起的拉應(yīng)力并有效抑制梁頂混凝土板裂縫的開展。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計與制作

設(shè)計了8根GFRP型材-混凝土組合梁試件，主要考慮型材的界面連接方式與厚度2個參數(shù)。試件長2 200 mm，高180 mm，混凝土面板寬300 mm，高80 mm。GFRP工字型材由南通新材料科技有限公司生產(chǎn)，采用了IB76A與IB76B兩種規(guī)格，區(qū)別在于型材壁厚的不同。界面處理采用了自然表面、噴砂處理、上翼緣開孔以及上翼緣設(shè)置螺栓4種情況，見圖1。組合梁上部翼板采用C25混凝土，組合梁下部工字梁采用拉擠成型的GFRP型材，GFRP型材上翼緣與部分腹板埋在混凝土面板內(nèi)可形成T形肋。試驗梁GFRP型材設(shè)計參數(shù)見表1。實際工程中GFRP型材上翼緣的板面鋼筋應(yīng)有足夠的保護層厚度，因此GFRP型材上翼緣伸入混凝土面板的埋置深度為52 mm，如圖2所示。

圖1 界面處理示意

表1 GFRP工字型材設(shè)計參數(shù)Tab.1 Design Parameters of GFRP I-shaped Profile

1.2 材料性能試驗

按照國家標準《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2002)進行混凝土材性試驗，混凝土材性參數(shù)見表2。按照《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》(GB/T 228.1—2010)進行鋼筋材性試驗，鋼筋材性參數(shù)見表3。按照國家標準《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》(GB/T 1447—2005)、《纖維增強塑料壓縮性能試驗方法》(GB/T 1448—2005)進行GFRP材性試驗，GFRP材性參數(shù)見表4。

1.3 加載方案及測點布置

試件兩端簡支，采用三分點彎曲加載，試驗裝置見圖5。荷載通過油壓千斤頂傳給分配梁，通過分配梁在距梁兩端支座550 mm處形成2個集中荷載，在中間形成800 mm的純彎段。靜載試驗前先對試件進行預(yù)加載，分三級加載，每級加載2 kN。正式加載分2個控制階段即力控制階段和位移控制階段。首先是力控制階段，每級加載取2 kN，當某一級荷載對應(yīng)的撓度達到1 mm或試件發(fā)生局部破壞時，改由位移加載控制，每級位移加載取1 mm。當荷載值達到預(yù)定的荷載等級且穩(wěn)定后，依次記錄相應(yīng)測點的撓度和應(yīng)變值，并觀測裂縫開展變化情況。

試件共布置5個百分表，梁跨中處百分表測量跨中撓度變化情況，兩邊支座處百分表測量支座沉降。梁端百分表測量GFRP型材上翼緣與混凝土底部的相對滑移。選試驗梁純彎段跨中為控制截面，在該混凝土截面處梁頂布置2個應(yīng)變測點，側(cè)面沿截面高度布置2個應(yīng)變測點，在梁底布置2個應(yīng)變測點，彎剪段應(yīng)變片布置與純彎段跨中等同。GFRP型材的應(yīng)變片在跨中腹板布置3個應(yīng)變測點，上下翼緣處分別布置2個應(yīng)變測點，彎剪段應(yīng)變片布置與純彎段跨中等同。各測點的應(yīng)變均通過DH3816N靜態(tài)應(yīng)變測試儀讀取。具體布置情況如圖6所示。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 主要試驗結(jié)果

試驗梁最終的破壞形態(tài)及主要結(jié)果如表5所示。試件破壞形態(tài)分為3種：GFRP撕裂、部分纖維拉斷；跨中混凝土壓碎、GFRP保持完整；跨中混凝土壓碎、GFRP上翼緣斷裂、腹板壓曲。這3種破壞模式均表現(xiàn)出典型的彎曲破壞特征。裂縫展開如圖7所示，典型試件破壞形態(tài)如圖8所示。由表5可知，當GFRP型材厚度相同、界面連接方式不同時，連接方式為接觸面噴砂、GFRP上翼緣設(shè)置螺栓、自然表面的試件承載力基本相等。連接方式為上翼緣開孔的試件其極限承載力明顯要低于其他試件，這是因為在上翼緣設(shè)置雙排孔洞降低了GFRP上翼緣的完整性，纖維的連續(xù)性遭到破壞，使得組合結(jié)構(gòu)的整體性能有一定的削弱，極限承載力降低。當界面連接方式相同、GFRP型材厚度不同時，每組試件極限承載能力基本相等，但GFRP型材厚度較大的試件其極限承載力對應(yīng)的撓度要小于GFRP型材厚度較薄的試件，說明GFRP型材厚度的提高對于整個試驗梁剛度有一定的貢獻作用。

圖2 試件截面尺寸(單位:mm)

圖3 混凝土面板配筋圖(單位:mm)

圖4 試件制作

2.2 荷載-撓度曲線

試件跨中荷載-撓度(P-γ)曲線如圖9所示。圖9中試件1～4的跨中荷載-撓度曲線變化趨勢基本相同，曲線斜率較大，即剛度較大，說明界面連接方式為噴砂和螺栓連接能較好地使2種材料協(xié)同工作。試件5、試件6的跨中荷載-撓度曲線斜率均小于其他試件，即剛度最小，說明在GFRP工字梁上翼緣開孔的界面連接方式對試驗梁剛度的貢獻最小，這是因為GFRP上翼緣所開孔洞直徑太小，混凝土粗骨料不能有效進入孔洞形成具有較強抗剪能力的混凝土榫，而細骨料形成的混凝土榫其傳遞剪力的能力較弱，導(dǎo)致GFRP上翼緣與混凝土之間產(chǎn)生較大滑移，組合梁整體剛度降低，撓度增大。

2.3 荷載-應(yīng)變曲線

2.3.1 混凝土板頂荷載-應(yīng)變曲線

試件混凝土板頂跨中荷載-應(yīng)變(P-ε)曲線如圖10所示。試驗初期，混凝土處于彈性階段，板頂荷載-應(yīng)變曲線大致呈線性增長。在同級荷載作用下，試件5、試件6的跨中板頂混凝土壓應(yīng)變由于GFRP工字梁上翼緣開孔孔洞直徑太小，不能形成有效的混凝土榫，無法有效地傳遞剪力，上部荷載施加的力大部分通過混凝土板傳遞給下部，因此板頂混凝土壓應(yīng)變較大。當試件破壞時，試件4，5，6，8的混凝土都達到了極限壓應(yīng)變，此時混凝土板充分發(fā)揮了其塑性變形能力；試件1，2，3，7的破壞形式雖然表現(xiàn)為GFRP被拉裂，但混凝土最大壓應(yīng)變也均超過了3 000×10-6。

表2 混凝土材性參數(shù)Tab.2 Material Parameters of Concrete

表3 鋼筋材性參數(shù)Tab.3 Material Parameters of Bar

表4 GFRP材性參數(shù)Tab.4 Material Parameters of GFRP

圖5 試驗裝置

2.3.2 GFRP工字梁頂部荷載-應(yīng)變曲線

GFRP工字梁頂部荷載-應(yīng)變曲線如圖11所示。加載前期，荷載-應(yīng)變曲線呈線性變化。試件5～8的荷載-應(yīng)變曲線不同于試件1～4，前者均有一個明顯的拐點，表明此時混凝土與GFRP之間的滑移增大，兩者的協(xié)同工作能力降低，上部混凝土的大部分荷載直接作用于GFRP上翼緣，導(dǎo)致每級荷載作用下GFRP上翼緣受壓的應(yīng)變增大，試件破壞后GFRP上翼緣的最大壓應(yīng)變遠大于混凝土的最大壓應(yīng)變。試件1～4的最大壓應(yīng)變遠小于試件5～8的最大壓應(yīng)變，甚至小于混凝土的最大壓應(yīng)變，說明在試件加載過程中試件1～4的界面連接方式(噴砂、加螺栓)有利于2種材料的協(xié)調(diào)變形，作用于混凝土上部的部分荷載能夠很好地以剪力的形式傳遞給GFRP工字梁。

圖6 測點布置(單位：mm)

表5 GFRP型材-混凝土組合梁試驗結(jié)果Tab.5 Experimental Results of GFRP Profile-concrete Composite Beams

圖7 典型試件裂縫展開圖

圖8 典型試件破壞形態(tài)

圖9 跨中荷載-撓度曲線

圖10 混凝土板頂荷載-應(yīng)變曲線

圖11 GFRP工字梁頂部荷載-應(yīng)變曲線

2.3.3 GFRP工字梁底部荷載-應(yīng)變曲線

GFRP工字梁底部荷載-應(yīng)變曲線如圖12所示。在試件加載過程中，荷載-應(yīng)變曲線基本呈線性變化。當試件達到極限破壞狀態(tài)時，試件2的拉應(yīng)變最大，應(yīng)變量達到17×10-3，試件5的拉應(yīng)變最小，應(yīng)變量達到8×10-3。這說明界面連接方式為噴砂和設(shè)置螺栓的試件能夠更好地傳遞界面剪力，協(xié)同工作能力強，減緩了試件的變形速度。從圖12可以看出，試件1～3、試件7在荷載達到或接近

圖12 GFRP工字梁底部荷載-應(yīng)變曲線

試件的極限荷載后，一級荷載對應(yīng)的拉應(yīng)變急劇增大，此時GFRP工字梁開始被拉裂。試件4～6、試件8底部拉應(yīng)變也均超8×10-3，GFRP的抗拉能力得到了充分利用。

2.3.4 彎剪段跨中沿截面高度的應(yīng)變分布規(guī)律

試件1和試件5彎剪段跨中沿截面高度h應(yīng)變分布如圖13所示。試件2～4彎剪段跨中沿截面高度應(yīng)變分布與試件1類似，試件6～8彎剪段跨中沿截面高度應(yīng)變分布與試件5類似。從圖13可知：試件1彎剪段跨中截面應(yīng)變分布基本符合平截面假定，在加載過程中基本保持協(xié)同變形，中和軸位于距組合梁梁底140 mm左右，與計算假定的中和軸位置大致相同；試件5彎剪段跨中截面在加載初期符合平截面假定。試件5在加載初期，因為混凝土的自然黏結(jié)力，混凝土與GFRP能夠協(xié)同變形、共同受力，隨著荷載的增加，混凝土與GFRP的自然黏結(jié)遭到破壞，混凝土與GFRP型材產(chǎn)生相對滑移，2種材料出現(xiàn)明顯的變形不協(xié)調(diào)的情況，截面應(yīng)變出現(xiàn)突變，在截面高度為120 mm時，GFRP由開始承受拉力轉(zhuǎn)為承受壓力，說明在GFRP工字型材上翼緣開5 mm的孔洞，對于提高2種材料的協(xié)同變形能力沒有明顯的影響。

圖13 彎剪段跨中沿截面高度的應(yīng)變分布

2.4 荷載-滑移曲線

試件端部荷載-滑移曲線如圖14所示。試件1、試件2的端部荷載-滑移曲線基本呈線性變化，其他試件均出現(xiàn)一個明顯的拐點，自拐點之后其滑移速率明顯增大，說明試件1、試件2的GFRP表面砂層的存在使2種材料能夠更好地共同受力、協(xié)調(diào)變形，而其他試件開始主要以混凝土與GFRP的自然黏結(jié)抵抗界面滑移，并且隨著荷載增加，混凝土和GFRP之間的自然黏結(jié)層被破壞，相對滑移的趨勢加劇，滑移增長速率明顯加快，滑移量迅速增加，此時界面連接方式才開始對抵抗滑移起到主要作用。試件1～4的界面最大滑移量均小于1.5 mm，試件5～8的界面滑移量均大于4 mm，說明GFRP表面噴砂和上翼緣設(shè)螺栓能夠很好地抵抗2種材料的界面滑移。

圖14 端部荷載-滑移曲線

2.5 對比分析

2.5.1 GFRP型材厚度相同、界面連接方式不同

根據(jù)GFRP型材型號的不同，即GFRP厚度的不同，試件可以分成2組，GFRP型材厚度為6.4 mm的試件承載力、滑移量對比見圖15(a)，GFRP型材厚度為9.5 mm的試件承載力、滑移量對比見圖15(b)。從圖15可以看出，界面連接方式為接觸面噴砂、GFRP上翼緣設(shè)置螺栓、自然表面的試件承載力基本相等。界面連接方式為上翼緣開孔的試件其極限承載力明顯要低于其他試件，這是因為在上翼緣設(shè)置雙排孔洞，降低了GFRP上翼緣的完整性，纖維的連續(xù)性遭到破壞，使得組合結(jié)構(gòu)的整體性能有一定的削弱，導(dǎo)致極限承載力降低。對比界面不同連接方式的極限荷載對應(yīng)的端部滑移，接觸面噴砂和上翼緣設(shè)置螺栓的試件其端部滑移明顯要小于GFRP上翼緣開孔和自然表面的端部滑移。

圖15 不同界面連接方式下極限承載力、滑移量及跨中撓度對比

GFRP接觸面噴砂和上翼緣設(shè)置螺栓的極限荷載對應(yīng)的端部滑移相差不大，GFRP上翼緣開孔和自然表面極限荷載對應(yīng)的端部滑移相差不大。說明前2種界面連接方式能夠很好地傳遞界面剪力、協(xié)同工作能力強，后2種連接方式產(chǎn)生的界面滑移較大，在混凝土與GFRP的自然黏結(jié)層被破壞以后，2種材料不能良好地協(xié)同工作，荷載直接通過混凝土板傳遞給GFRP，產(chǎn)生較大的界面滑移。對比不同界面連接方式試件的最終跨中撓度，GFRP上翼緣開孔和自然表面試件的最終跨中撓度要明顯大于接觸面噴砂和上翼緣設(shè)置螺栓的試件，說明后者的界面連接方式能提高整個試驗梁的剛度。

2.5.2 界面連接方式相同、GFRP型材厚度不同

根據(jù)界面連接方式不同，試件可以分為4組，每組包括GFRP厚度為6.4 mm和9.5 mm的2個試件，如圖16所示。每組試件在相同的界面連接方式下，其極限承載能力基本相等，對端部滑移也未產(chǎn)生明顯影響，但GFRP型材厚度較大的試件其極限承載力對應(yīng)的撓度要小于GFRP型材厚度較薄的試件，說明GFRP型材厚度的提高對于整個試驗梁剛度有一定的貢獻作用。在工程實際中需要限制構(gòu)件的變形，應(yīng)該優(yōu)先采用GFRP型材較厚的組合梁構(gòu)件。

圖16 不同型材厚度下極限承載力、滑移量及跨中撓度對比

3 結(jié)語

(1)通過試驗破壞形態(tài)及結(jié)果分析可知，試件最終破壞形態(tài)表現(xiàn)出典型的彎曲破壞特征，即跨中混凝土板被壓碎或GFRP工字型材底部被拉裂。在承載力方面，GFRP型材上翼緣開孔對試件的抗彎承載力有明顯的削弱作用，GFRP型材厚度及其他界面連接方式對承載力無明顯影響。

(2)通過變形分析，GFRP型材與混凝土的界面連接方式對組合梁力學(xué)性能有明顯影響。接觸面噴砂和GFRP上翼緣設(shè)置螺栓的試件連接性能較好，端部滑移較小，剛度較大；自然表面和上翼緣開孔的試件在混凝土與GFRP的自然黏結(jié)層被破壞以后，2種材料不能良好地協(xié)同工作，荷載直接通過混凝土板傳遞給GFRP，產(chǎn)生較大的界面滑移，承載力和剛度均較低，所以前2種界面連接方式可以很大程度抑制GFRP型材與混凝土的界面滑移，改善組合梁界面的剪力傳遞，使2種材料很好地協(xié)同工作。

(3)通過變形分析，界面連接方式為接觸面噴砂和GFRP上翼緣設(shè)置螺栓的試件界面相對滑移較小，跨中沿截面高度的應(yīng)變呈線性變化，混凝土達到極限壓應(yīng)變時GFRP型材底部被拉裂，基本符合平截面假定，在進行抗彎承載力計算時可不考慮滑移的影響；自然表面和上翼緣開孔的試件界面相對滑移較大，其應(yīng)變變化沿截面高度存在突變現(xiàn)象，混凝土和GFRP型材不能協(xié)同變形，不符合平截面假定，所以在進行承載力計算時必須考慮滑移的影響。