GFRP箍筋彎折強度試驗及理論研究*

汪國賢，李明，張黎飛，李斌，胡勇

(1.珠海鶴港高速公路有限公司，廣東 珠海 519000；2.深圳海川新材料科技股份有限公司，廣東 深圳 518000；3.東莞理工學院，廣東 東莞 523808；4.江蘇海川新材料科技有限公司，江蘇 句容 212400)

纖維增強復合材料(FRP)為脆性材料，采用FRP作為箍筋或異形構(gòu)件時，折角處FRP箍筋會形成應(yīng)力集中，故FRP折角處筋材強度直接影響FRP筋砼構(gòu)件的工作性能。FRP筋折角加工過程中，彎折造成GFRP筋內(nèi)外纖維受力不均勻，導致應(yīng)力集中，由于GFRP筋不能進行應(yīng)力重分布，導致強度降低?，F(xiàn)有做法是控制筋材應(yīng)變水平低于0.4%～0.5%或提高箍筋用量，但會引起FRP箍筋經(jīng)濟性能下降。為此，在GFRP箍筋剪切計算中將箍筋貢獻強度按照需要進行折減，避免出現(xiàn)剪切破壞，這就造成FRP箍筋的高配筋率。因此，需明確帶折角FRP箍筋強度變化規(guī)律。Ehsani M.R.等研究發(fā)現(xiàn)，當rb/db(彎折半徑/筋材直徑)減小時，折角處筋材強度衰減，同時指出FRP折角應(yīng)避免rb/db<3的情況，以降低折角處應(yīng)力集中程度。EI-Sayed A.K.等研究發(fā)現(xiàn)，ACI規(guī)范中關(guān)于FRP折角強度的計算模型過高地估計了FRP筋折角強度。Morphy R.的研究表明FRP箍筋種類、彎曲半徑和砼強度等均對箍筋強度有影響，F(xiàn)RP箍筋強度隨彎折半徑減小而顯著降低。Currier J.等的研究表明FRP箍筋彎折強度衰減77%。各國學者對FRP箍筋強度受彎折角影響的初步規(guī)律已形成了較統(tǒng)一的意見，但現(xiàn)有研究主要針對90°折角箍筋，對不同角度FRP箍筋強度和破壞機理尚不明確。為研究GFRP筋折角強度隨彎折角度變化的規(guī)律及帶折角箍筋的破壞機理，該文設(shè)置4組GFPR筋帶折角試驗研究不同GFRP筋折角強度，通過分析筋材折角處破壞模式研究破壞機理，根據(jù)折角筋破壞物理開裂過程，闡述不同彎折角度時GFRP筋材的強度衰減規(guī)律和過程，建立帶角度GFRP筋強度預(yù)測模型。

1 試驗設(shè)置

設(shè)置4組試驗、21個試件，為考慮帶折角FRP筋的離散性，每組折角筋試驗設(shè)置6個試件，直筋試驗設(shè)置3個試件(見表1)。FRP帶折角筋試驗方法采用美國標準ACI 440.3R—04中對工程用FRP材料的B.5彎折箍筋試驗方法(見圖1)。直筋強度試驗見圖2。

圖1 B.5試驗方法

表1 試件設(shè)置

試驗采用砼保護GFRP筋折角筋，試件包括錨固端和試驗端，錨固端全部澆筑砼，試驗端在筋材縱向方向設(shè)置脫黏區(qū)域，使荷載能直接傳遞到折角位置，然后澆筑砼。不同角度GFRP筋的安裝見圖3。

圖3 GFRP筋帶折角強度試件

GFRP筋直筋試件中，為防止GFRP筋在試驗機夾持力作用下發(fā)生破壞，端部安裝錨固套筒，套筒與GFRP筋之間填充膨脹水泥進行錨固。試驗采用直徑12 mm GFRP筋，彈性模量52 GPa，強度805.27 MPa，砼強度50 MPa，標準條件養(yǎng)護28 d。GFRP筋折角試驗中，錨固端和試驗端中間采用液壓作動器進行加載，加載速度1 mm/min，采用TDS-530靜態(tài)應(yīng)變采集器進行荷載數(shù)據(jù)采集，采集頻率為1 Hz(見圖4)。

圖4 試件及試驗裝置

2 試驗結(jié)果與分析

不同折角GFRP筋的強度見表2。由表2可知：筋材折角對強度影響較大，隨著筋材彎折角增加，筋材強度迅速衰減，這是由于折角在受力時，內(nèi)側(cè)纖維在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生褶皺，筋材玻璃纖維不能協(xié)同受力造成強度衰減。彎折角為30°時，強度衰減40.3%，說明折角在受力過程中出現(xiàn)應(yīng)力集中，部分纖維受力高于受拉極限強度而提前破壞。筋材折角高于60°時，筋材強度衰減速率降低，這是由于筋材彎折過程中，松弛纖維占比增加放緩，增加角度對應(yīng)力集中現(xiàn)象的影響逐漸降低。GFRP筋折角角度為90°時，強度衰減75.5%，強度平均值不足200 MPa，帶折角GFRP筋強度衰減較大，需根據(jù)實際工程進行合理設(shè)計，避免出現(xiàn)GFRP箍筋破壞。

表2 帶折角GFRP筋強度試驗結(jié)果

筋材強度隨折角角度的變化見圖5。由圖5可知：筋材折角由0增加至30°時，強度衰減速率高于更大角度，這是由GFRP筋的組成結(jié)構(gòu)決定的。GFRP筋包括玻璃纖維與基體，基體為脆性材料，抗拉強度遠低于玻璃纖維，主要起保護、固定玻璃纖維的作用。玻璃纖維抗拉強度高，但抗剪性能弱，在基體內(nèi)部受力時，需要基體提供側(cè)向支撐。因此，GFRP筋產(chǎn)生折角后，折角內(nèi)側(cè)纖維發(fā)生褶皺，根據(jù)GFRP筋折角處橫截面受力平衡，彎折會造成較大范圍的玻璃纖維褶皺松弛，因而彎折角度較小時對強度造成較大影響。GFRP筋折角由30°增加至90°時，筋材折角強度近似為線性變化，說明GFRP筋角度增加至30°以上時筋材應(yīng)力集中程度呈線性增加。

圖5 筋材強度隨折角的變化

3 破壞機理分析

為研究GFRP筋折角部位斷裂機理，對試件斷裂處進行分析，GFRP筋折角處破壞模式見圖6。由圖6可知：GFRP筋折角處破壞狀態(tài)均為折角內(nèi)部基體與纖維斷裂，而后折角外側(cè)纖維拉伸斷裂。GFRP筋折角內(nèi)側(cè)纖維斷裂均為齊平狀態(tài)，說明該處纖維基體并未協(xié)同受力變形，受力狀態(tài)下基體首先出現(xiàn)開裂，然后纖維應(yīng)力集中造成斷裂。折角內(nèi)部斷裂面處纖維褶皺造成斷裂面纖維受力不均，導致筋材折角內(nèi)部斷裂。折角內(nèi)部斷裂后，折角外側(cè)纖維受力，但基體裂縫已發(fā)展到筋材外側(cè)，纖維拉應(yīng)力在折角處突變，導致強度衰減。這一現(xiàn)象在折角為90°時最明顯，折角30°筋材的破壞形態(tài)與GFRP筋直筋破壞形態(tài)更接近。GFRP筋折角破壞時，內(nèi)側(cè)基體首先開裂，該位置處纖維的參與受拉程度較低，因而出現(xiàn)折角內(nèi)側(cè)纖維整體斷裂現(xiàn)象。根據(jù)GFRP筋折角位置實際破壞形態(tài)，折角內(nèi)側(cè)整體斷裂程度與筋材角度有關(guān)，筋材角度增加，則斷裂深度增加。帶折角筋材內(nèi)側(cè)開裂后，外側(cè)基體與纖維協(xié)同受力，最終斷裂。這一過程中，折角與纖維的有效面積與筋材強度相關(guān)。

圖6 折角處筋材斷裂形態(tài)

筋材斷裂面見圖7。由圖7可知：在受力狀態(tài)下，折角處內(nèi)部基體應(yīng)力集中，基體承擔的應(yīng)力比例較大，達到基體破壞強度時開裂，基體裂縫造成折角內(nèi)側(cè)纖維斷裂。30°折角試件基體開裂方向與縱向夾角較小，同時受到纖維約束，基體開裂深度較小。隨著角度增加，基體裂縫進一步增大，開裂深度增大。折角內(nèi)部斷裂后，荷載主要由筋材外側(cè)剩余面積承擔。經(jīng)過現(xiàn)場測量，30°、60°、90°折角筋有效面積平均值分別為74.25、43.96、26.39 mm2，計算得折角內(nèi)側(cè)基體開裂面積平均值分別為38.85、69.14、86.71 mm2(見表3)。

圖7 GFRP筋折角筋斷裂過程示意圖

表3 折角筋有效面積試驗結(jié)果

4 折角筋強度預(yù)測模型

日本規(guī)范JSCE(1997)采用的FRP箍筋彎曲強度計算方法[見式(1)]被廣泛使用，該方法采用rb/db和筋材強度ffuv作為影響因素。

(1)

式中：ffb為筋材彎折段強度；δ為安全系數(shù)，日本采用的安全系數(shù)為1.3，美國為1.0，加拿大為1.5。

各國規(guī)范中FRP箍筋彎曲強度計算方法的計算結(jié)果見表4。由表4可知：各國規(guī)范均高估了筋材彎折強度，其中加拿大規(guī)范的計算結(jié)果與試驗結(jié)果較接近。這是由于FRP彎折部分破壞機理并不清晰，未考慮彎折角在實際破壞過程中的基體應(yīng)力集中。因此，需對計算方法進行修正。經(jīng)過分析，選擇安全系數(shù)為1.9能較準確地預(yù)測GFRP筋彎折角強度。

表4 各國規(guī)范中FRP箍筋彎曲強度計算方法的計算結(jié)果對比

圖8 筋材強度與筋材有效面積隨角度的變化

圖9 試驗結(jié)果與模型預(yù)測結(jié)果對比

(2)

ΔAe(θ)=0.000 1θ3-0.019 4θ2+0.852 6θ

(3)

(4)

σe(θ)=Ae(θ)σini

(5)

基于GFRP筋材折角處有效面積，分析折角處筋材破壞機理。GFRP折角筋加工過程中，首先進行筋材浸膠成型，然后根據(jù)角度需求進行彎折，造成筋材折角內(nèi)側(cè)纖維褶皺松弛。筋材在砼中受力時，兩方面原因造成筋材強度降低，一是GFRP筋折角內(nèi)側(cè)纖維褶皺松弛，內(nèi)折角受力主要由基體承擔；二是折角內(nèi)側(cè)應(yīng)力集中，受力時容易開裂。這2個原因相互促進，造成帶折角筋材強度顯著降低。根據(jù)GFRP筋破壞機理建立GFRP折角筋強度預(yù)測模型，對比預(yù)測結(jié)果與試驗結(jié)果，該模型能準確預(yù)測不同角度GFRP筋的強度。

5 結(jié)論

針對GFRP筋，采用靜力加載，研究不同折角GFRP筋的強度，分析GFRP筋折角處破壞機理，建立不同折角GFRP筋強度預(yù)測模型。結(jié)論如下：1)由于GFRP筋彎折角內(nèi)側(cè)應(yīng)力集中，GFRP筋彎折角度對筋材強度影響明顯。相比于GFRP直筋強度，30°、60°和90°折角筋強度分別降低40.3%、56.1%和75.5%。2)GFRP筋折角破壞時，內(nèi)側(cè)基體首先開裂，該位置處纖維的參與受拉程度較低，會出現(xiàn)折角內(nèi)側(cè)纖維整體斷裂現(xiàn)象，且折角內(nèi)側(cè)整體斷裂程度與筋材角度有關(guān)，筋材角度增加，則斷裂深度增加。之后外側(cè)基體與纖維協(xié)同受力，最終斷裂。3)折角筋實際受力的有效面積與筋材強度相關(guān)，基于筋材有效受力面積建立GFRP筋彎折強度預(yù)測模型，對比試驗結(jié)果，該模型能準確預(yù)測不同彎折角度GFRP筋的強度。

文中研究針對玻璃纖維筋，后期需對不同彎折角度對玄武巖纖維和碳纖維筋的強度影響進行分析，研究不同纖維對彎折強度的影響。