考慮FRP筋實(shí)際受力的粘結(jié)滑移試驗(yàn)方法研究

孫 麗,王 超,楊澤宇,張春巍,喬丕忠

(1.沈陽(yáng)建筑大學(xué)土木工程學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110168;2.青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院,山東 青島 266033)

在工業(yè)與民用建筑領(lǐng)域里,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于各類工程中,但一些處于腐蝕環(huán)境下的建筑物,鋼筋會(huì)發(fā)生嚴(yán)重腐蝕,較大地影響了建筑物的耐久性能,對(duì)結(jié)構(gòu)造成了嚴(yán)重的破壞[1-4]。為了解決鋼筋銹蝕對(duì)建筑物耐久性能的不利影響,國(guó)內(nèi)外專家經(jīng)過(guò)多年研究,提出將纖維聚合塑料(Fiber Reinforced Polymer,FRP)應(yīng)用在混凝土結(jié)構(gòu)中,可以有效地解決鋼筋銹蝕的問(wèn)題[5-14]。

FRP筋與混凝土之間良好的粘結(jié)性能是二者可以協(xié)同工作的基礎(chǔ)。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外專家對(duì)FRP筋與混凝土之間的粘結(jié)性能進(jìn)行了大量研究。薛偉辰[15]基于標(biāo)準(zhǔn)拉拔和梁式試驗(yàn),探討了兩種試驗(yàn)方法對(duì)FRP筋與不同種類混凝土之間粘結(jié)強(qiáng)度的影響,建立了FRP筋與混凝土粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系模型,并給出了曲線上特征點(diǎn)的含義及滑移量的計(jì)算公式。歐進(jìn)萍[16]通過(guò)拉拔試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),混凝土強(qiáng)度較高時(shí)試件發(fā)生FRP筋剪切破壞;混凝土強(qiáng)度較低時(shí),試件主要發(fā)生混凝土劈裂劈壞。高丹盈[17]通過(guò)拉拔試驗(yàn)研究混凝土強(qiáng)度對(duì)粘結(jié)性能的影響時(shí)發(fā)現(xiàn),FRP筋混凝土之間粘結(jié)應(yīng)力的增長(zhǎng)規(guī)律不符合普通鋼筋混凝土之間粘結(jié)應(yīng)力的增長(zhǎng)規(guī)律,且FRP筋與混凝土之間的粘結(jié)應(yīng)力與相對(duì)粘結(jié)面積有關(guān),直徑越大,相對(duì)粘結(jié)面積越小,粘結(jié)應(yīng)力越小。孫麗[18]通過(guò)拉拔試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在混凝土拌合物中摻雜纖維,可以提高FRP筋與混凝土之間的粘結(jié)性能。王磊[19]通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)拉拔試驗(yàn)研究粘結(jié)長(zhǎng)度對(duì)粘結(jié)性能的影響時(shí)發(fā)現(xiàn),粘結(jié)應(yīng)力沿著粘結(jié)長(zhǎng)度分布不均勻,導(dǎo)致粘結(jié)應(yīng)力隨著粘結(jié)長(zhǎng)度的增加而明顯降低。

從國(guó)內(nèi)外粘結(jié)滑移試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn),在粘結(jié)失效模式中,混凝土劈裂破壞使構(gòu)件的承載力降低,影響結(jié)構(gòu)的安全性和使用性,這說(shuō)明拔出破壞是理想的破壞形式。Losberg拉拔試驗(yàn)是通過(guò)承壓板將力傳至混凝土,減小了裂縫發(fā)生的可能性,進(jìn)而提高了粘結(jié)強(qiáng)度;而實(shí)際結(jié)構(gòu)在受力后變形發(fā)展是不受外部承壓板限制的,因此該試驗(yàn)方法得到的粘結(jié)滑移性能與實(shí)際結(jié)構(gòu)受力情況不完全相符。2017年,沈陽(yáng)建筑大學(xué)孫麗提出了一種新型粘結(jié)滑移試驗(yàn)方法——雙筋軸心對(duì)拉試驗(yàn)方法。此方法在兩端FRP筋上加載,荷載直接由FRP筋傳遞到混凝土,端部沒(méi)有承壓板的限制,與結(jié)構(gòu)實(shí)際受力情況相符。但由于雙筋對(duì)拉試件在澆筑過(guò)程中不容易保證受力的對(duì)拉筋完全處于同一軸線上,導(dǎo)致試驗(yàn)過(guò)程中得到的數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確?；诖?筆者在雙筋對(duì)拉試驗(yàn)基礎(chǔ)上,提出四筋對(duì)拉試驗(yàn)方法,該方法即保證了試件粘結(jié)滑移情況盡可能的與實(shí)際結(jié)構(gòu)受力相符,又可以減小試驗(yàn)誤差,得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。

1 四筋對(duì)拉試驗(yàn)粘結(jié)滑移試驗(yàn)

1.1 試件設(shè)計(jì)

四筋對(duì)拉試件的長(zhǎng)×寬×高為300 mm×300 mm×150 mm,試驗(yàn)使用一對(duì)長(zhǎng)×寬×高300 mm×150 mm×20 mm的鋼板作為傳力裝置,鋼板兩端各有兩個(gè)固定FRP筋的凹槽,可以同時(shí)對(duì)兩根FRP筋進(jìn)行加載,每個(gè)鋼板中心焊一根長(zhǎng)為100 mm、直徑為22 mm的螺紋鋼,主要作用是將拉力傳到FRP筋上(見(jiàn)圖1)。試驗(yàn)裝置為沈陽(yáng)建筑大學(xué)的萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī),該試驗(yàn)機(jī)自身具有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),可以將試件加載端所受的力和位移進(jìn)行動(dòng)態(tài)采集。試件制作時(shí),將其中一個(gè)鋼板的螺紋鋼一側(cè)夾在試驗(yàn)機(jī)的固定端夾頭上,再將試件自由端的兩根筋從一側(cè)放入鋼板的U形口位置,并將加載端一側(cè)鋼板的兩個(gè)U形口套住GFRP筋,使用錨具將兩端的GFRP筋固定,最后通過(guò)試驗(yàn)機(jī)的加載端夾頭夾住鋼板焊接的螺紋鋼,試件安裝完成。加載方式為位移控制加載,速度為0.2 mm/s,在GFRP筋自由端布置一個(gè)百分表,用以監(jiān)測(cè)筋自由端的位移。試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖2。

圖1 四筋對(duì)拉試驗(yàn)Fig.1 Quadratic-bar symmetric pull-out test

圖2 試驗(yàn)裝置Fig.2 Test device

1.2 粘結(jié)應(yīng)力計(jì)算公式

傳統(tǒng)粘結(jié)滑移試驗(yàn)的粘結(jié)應(yīng)力計(jì)算方法為FRP筋的極限荷載Fmax與單根FRP筋粘結(jié)段表面積S的比值:

(1)

式中:τ0為FRP筋粘結(jié)強(qiáng)度實(shí)測(cè)值,MPa;Fmax為FRP筋破壞的最大荷載實(shí)測(cè)值,kN;d為FRP筋公稱直徑,mm;la為FRP筋埋入長(zhǎng)度,mm。

四筋對(duì)拉試驗(yàn)的粘結(jié)應(yīng)力計(jì)算方法為FRP筋的總極限荷載Fmax與兩根FRP筋粘結(jié)段表面積的比值:

(2)

對(duì)比式(1)、式(2)可知,四筋對(duì)拉試驗(yàn)同時(shí)研究4根FRP筋的粘結(jié)應(yīng)力。由于混凝土是一種非均質(zhì)材料,FRP與混凝土之間粘結(jié)存在著一定的非線性,單筋拉拔的粘結(jié)試驗(yàn)結(jié)果必然存在離散性,四筋對(duì)拉試驗(yàn)可以保證FRP筋與混凝土之間的粘結(jié)應(yīng)力研究在同樣條件下得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確,進(jìn)而減小試驗(yàn)誤差。

2 GFRP筋與混凝土粘結(jié)滑移性能試驗(yàn)

筆者采用Losberg拉拔試驗(yàn)、雙筋對(duì)拉試驗(yàn)、四筋對(duì)拉試驗(yàn)三種試驗(yàn)方法進(jìn)行研究,每種試驗(yàn)分為5組,每組3個(gè)試件,共45個(gè)試件。試驗(yàn)采用海寧安捷復(fù)合材料有限責(zé)任公司生產(chǎn)的GFRP筋,極限抗拉強(qiáng)度為730 MPa,玻璃纖維體積分?jǐn)?shù)約為70%,樹脂體積分?jǐn)?shù)約為30%,試驗(yàn)采用帶肋GFRP筋,混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)等級(jí)為C30。試驗(yàn)加載設(shè)備為電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī),最大拉力為300 kN,最大行程為1 000 mm,粘結(jié)荷載和滑移量自動(dòng)實(shí)時(shí)采集。試件參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 拉拔試件參數(shù)Table 1 List of pull-out specimens

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞形式

Losberg拉拔試件與雙筋對(duì)拉試件的破壞形式主要表現(xiàn)為GFRP筋的拔出破壞,破壞形式分為兩種:GFRP筋肋剪切破壞(見(jiàn)圖3(a))和GFRP筋肋間混凝土剪切破壞(見(jiàn)圖3(b))。從圖3(a)可以看出,對(duì)于破壞形式為GFRP筋肋受剪破壞的試件,其內(nèi)部GFRP筋的粘結(jié)段破壞明顯,筋肋幾乎被混凝土磨平。發(fā)生此種破壞現(xiàn)象的試件,通常其GFRP筋直徑較小,且筋肋的抗剪強(qiáng)度低于混凝土抗剪強(qiáng)度。從圖3(b)可以看出,GFRP筋肋間混凝土發(fā)生剪切破壞,隨著筋體拔出,帶出少量混凝土碎渣,發(fā)生此種現(xiàn)象的試件多為GFRP筋直徑較大,肋間形成較高的楔形混凝土,此處混凝土抗剪強(qiáng)度較低,容易發(fā)生肋間混凝土剪切破壞現(xiàn)象。

圖3 GFRP筋與混凝土粘結(jié)破壞形式Fig.3 Failure characteristics of GFRP bar-to-concrete axial pull-out bonded specimens

四筋對(duì)拉GFRP筋與混凝土粘結(jié)破壞形式如圖4所示。從圖中可以看出,四筋對(duì)拉試件破壞形式從外觀來(lái)看主要發(fā)生了GFRP筋的拔出破壞和混凝土局部劈裂破壞,剖開發(fā)生拔出破壞的試件,發(fā)現(xiàn)內(nèi)部破壞與軸心拉拔試驗(yàn)破壞方式相同,均發(fā)生GFRP筋肋剪切破壞(見(jiàn)圖4(a))和肋間混凝土剪切破壞(見(jiàn)圖4(b)),并且參數(shù)相同的試件發(fā)生破壞方式相同,但與軸心拉拔試驗(yàn)相比,四筋對(duì)拉試驗(yàn)的粘結(jié)應(yīng)力較小。試驗(yàn)中只有極少數(shù)試件發(fā)生了局部劈裂破壞(見(jiàn)圖4(c)),發(fā)生此種破壞的試件,GFRP筋直徑較大,分析原因是GFRP筋直徑較大,在較大的拉拔力作用下,試件發(fā)生破壞,混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度較低,試件發(fā)生破壞時(shí)達(dá)到了混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度,進(jìn)而造成混凝土的局部劈裂破壞。

圖4 四筋對(duì)拉GFRP筋與混凝土粘結(jié)破壞形式Fig.4 Failure characteristics of GFRP bar-to-concrete quadratic-bar symmetric pull-out bonded specimens

3.2 荷載-滑移曲線

由式(1)和式(2)計(jì)算得到GFRP筋與混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度結(jié)果見(jiàn)表2。GFRP筋破壞典型粘結(jié)滑移曲線如圖5和圖6所示,圖中曲線為平均粘結(jié)應(yīng)力。從圖中可以看出,四筋對(duì)拉試驗(yàn)和雙筋對(duì)拉得到的粘結(jié)滑移曲線總體比Losberg試驗(yàn)曲線低,并且滑移量小。分析原因是Losberg試驗(yàn)中端部的承壓板裝置限制了混凝土開裂,進(jìn)而提高了混凝土與GFRP筋之間的粘結(jié)應(yīng)力。

表2 拉拔試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Comparison result of pull-out tests

圖5 拔出破壞典型粘結(jié)滑移曲線Fig.5 Typical bond slip curves of pull-out failure

圖6 劈裂破壞典型粘結(jié)滑移曲線Fig.6 Typical bond slip curves of splite failure

GFRP筋混凝土粘結(jié)滑移破壞主要有兩種形式,一種是拔出破壞,其粘結(jié)滑移曲線上皆有完整的波峰(見(jiàn)圖5),出現(xiàn)一個(gè)波峰后GFRP筋肋或其肋間的混凝土被剪壞,因此之后的第二個(gè)、第三個(gè)波峰值均比第一個(gè)波峰小很多。三種試驗(yàn)得到的是具有相同趨勢(shì)的典型粘結(jié)滑移曲線,發(fā)生拔出破壞的試件粘結(jié)滑移曲線分為O-A微滑移端、A-B滑移段、B-C微上升段、C-D下降段、D-E殘余段五個(gè)部分。另外一種是劈裂破壞,典型粘結(jié)滑移曲線只有上升段(見(jiàn)圖6),粘結(jié)滑移曲線只有O-A1滑移段、A1-B1滑移段和B1-C1上升段。

3.3 四筋對(duì)拉試驗(yàn)與傳統(tǒng)試驗(yàn)粘結(jié)應(yīng)力對(duì)比

將四筋對(duì)拉試驗(yàn)所得到的粘結(jié)應(yīng)力與雙筋軸心對(duì)拉試驗(yàn)和Losberg試驗(yàn)所得到的粘結(jié)應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果見(jiàn)圖7。從圖中可以看出,直徑和粘結(jié)長(zhǎng)度對(duì)不同試驗(yàn)方法所得到的粘結(jié)應(yīng)力影響較小,Losberg試驗(yàn)所得到的粘結(jié)應(yīng)力最大,四筋對(duì)拉試驗(yàn)和雙筋對(duì)拉試驗(yàn)得到的粘結(jié)應(yīng)力基本相同。當(dāng)GFRP筋直徑為12 mm、粘結(jié)長(zhǎng)度為5d時(shí),四筋對(duì)拉試驗(yàn)得到的粘結(jié)應(yīng)力比Losberg拉拔試驗(yàn)和雙筋軸心對(duì)拉試驗(yàn)得到的粘結(jié)應(yīng)力分別降低了18%和3%。這也證明了Losberg拉拔試驗(yàn)要通過(guò)承壓板來(lái)傳遞反力,造成混凝土受壓,并且承壓板不是絕對(duì)光滑的,對(duì)混凝土產(chǎn)生“套箍效應(yīng)”,限制其開裂,進(jìn)而提高了GFRP筋與混凝土之間的粘結(jié)應(yīng)力,因此Losberg拉拔試驗(yàn)測(cè)得的粘結(jié)應(yīng)力會(huì)比另外兩種試驗(yàn)大?；炷廉?dāng)中的GFRP筋受拉的時(shí)候端部并未有承壓板作用,Losberg試驗(yàn)方法的受力情況與實(shí)際工程受力情況相差較大,并且試驗(yàn)結(jié)果大于實(shí)際情況,偏于不安全。

圖7 三種試驗(yàn)方法粘結(jié)應(yīng)力對(duì)比Fig.7 Comparison of bond stress of three different test

四筋對(duì)拉試驗(yàn)是在雙筋軸心拉拔試驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出來(lái)的,四筋對(duì)拉試驗(yàn)方法即可以保證GFRP筋的受力情況更符合實(shí)際,也克服了雙筋對(duì)拉試驗(yàn)的軸心對(duì)中問(wèn)題造成的試驗(yàn)誤差,同時(shí)得到的粘結(jié)應(yīng)力是4根GFRP筋的平均粘結(jié)應(yīng)力,可以減小試驗(yàn)誤差,得到的數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確。

4 結(jié) 論

(1)筆者基于Losberg試驗(yàn)和軸心對(duì)拉試驗(yàn),提出四筋對(duì)拉試驗(yàn),四筋對(duì)拉試驗(yàn)方法可以減小GFRP筋與混凝土之間粘結(jié)應(yīng)力的試驗(yàn)誤差,得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確。

(2)同樣條件下,四筋對(duì)拉試驗(yàn)和雙筋對(duì)拉試驗(yàn)得到的粘結(jié)滑移曲線低于Losberg拉拔試驗(yàn)的粘結(jié)滑移曲線。

(3)Losberg拉拔試件與軸心對(duì)拉試件的破壞形式為拔出破壞,四筋對(duì)拉試件的破壞形式為拔出破壞和局部劈裂破壞。