GFRP筋混凝土板正截面疲勞性能試驗研究

趙軍，吳浩，孫宏賢，張飛

（1.鄭州大學力學與工程科學學院，河南鄭州 450001；2.機械工業第六設計研究院有限公司，河南鄭州 450007；3.云南云嶺高速公路交通科技有限公司，云南昆明 650000）

GFRP筋混凝土板正截面疲勞性能試驗研究

趙軍1，吳浩2，孫宏賢3，張飛1

（1.鄭州大學力學與工程科學學院，河南鄭州 450001；2.機械工業第六設計研究院有限公司，河南鄭州 450007；3.云南云嶺高速公路交通科技有限公司，云南昆明 650000）

通過玻璃纖維聚合物（GFRP）筋混凝土板的疲勞試驗，分析了疲勞循環次數對GFRP筋混凝土板剩余承載力、跨中撓度、GFRP筋應變、混凝土應變和裂縫的開展等的影響．試驗結果表明，在疲勞荷載作用下，隨著疲勞循環次數的增加，疲勞上限荷載對應的試件的跨中撓度不斷增大，GFRP筋應變和受壓區混凝土應變也大幅度增加，裂縫寬度顯著變大．200萬次疲勞循環后，試件的剩余承載力約為靜力荷載作用下試件承載力的67%．

板；GFRP筋；撓度；應變；疲勞循環次數；剩余承載力

0 引言

鋼筋混凝土結構長期暴露在侵蝕性環境中，混凝土的PH值以每年10%的速度減小[1]．同時，鋼筋混凝土結構大都處于帶縫工作狀態，致使鋼筋很容易發生銹蝕．隨著使用年限的不斷增加，受侵蝕嚴重的外層混凝土保護層脫落導致內部鋼筋外露，鋼筋的銹蝕率會越來越大，當銹蝕到一定程度時會嚴重影響混凝土與鋼筋的粘結，兩者的整體工作性能削弱，嚴重影響結構的承載力和正常使用性能，使結構的使用壽命大幅度降低[]．

為了解決混凝土結構中鋼筋銹蝕的問題，工程領域和很多科研機構致力于該問題的解決方法，如陰極保護法、采用聚合物混凝土、鍍鋅鋼筋等，然而在不同的環境條件下，這些方法并未總能起到很好的效果．如何從根本上解決混凝土結構中鋼筋的銹蝕難題，降低維修的巨額費用，延長結構壽命，國內外許多專家學者不斷嘗試新型材料和新型結構體系．經過多年的研究與分析，發現用纖維增強聚合物（fiberreinforcedpolymer,簡稱FRP）筋來代替鋼筋是解決銹蝕問題的最佳方法之一[4]．

FRP筋是以連續纖維為增強相，聚合物樹脂為基體相，按照一定的比例混合同時添加一些輔助材料（如促進劑等），通過復合工藝組合而成的一種新型復合材料．與普通筋材相比，FRP筋具有輕質、抗拉強度高、抗腐蝕性能好、電磁絕緣性能好、熱膨脹系數與混凝土相近等優點，作為鋼筋的一種替代材料，正越來越廣泛地應用于道路、橋梁、海洋、近海以及水下混凝土結構中[5]．

當采用玻璃纖維作為增強相時，可以得到玻璃纖維增強聚合物（GFRP）筋．由于其價格比較低廉，國內外對GFRP筋的研究和應用成果比較多，但是關于GFRP筋混凝土構件的疲勞性能方面的研究較少．為了推動GFRP筋在承受動荷載作用下混凝土結構中的應用，本文進行了GFRP筋混凝土板在疲勞荷載作用下的力學性能試驗，研究了GFRP筋混凝土板在疲勞荷載作用下撓度、混凝土應變、GFRP筋應變和裂縫等隨著疲勞循環次數的變化規律．

圖1 試件的尺寸及配筋圖Fig.1Dimension and reinforcement chart of specimens

1 試驗概況

1.1 試件設計

試件截面尺寸長×寬×高為1 600 mm× 450 mm×100 mm，混凝土強度等級為C35，板底縱向受力鋼筋為5根直徑為12 mm的GFRP筋，橫向分布筋為10根直徑為10 mm的GFRP筋．試件的外觀尺寸與配筋及相關設計參數如圖1所示．

1.2 測試內容

試驗中主要測試試件的正截面疲勞強度、跨中截面處的GFRP筋應變、跨中截面處的板底和板頂的混凝土應變和跨中撓度，并記錄了試件板底裂縫的開展和裂縫寬度．

1.3 材料性能

試驗所用的筋材為GFRP筋，縱向受拉筋采用5根GFRP筋，直徑12 mm，長度為1 570 mm；分布鋼筋采用10根GFRP筋，直徑為10mm，長度為420mm．直徑12 mm的GFRP筋抗拉強度為614.5 MPa，彈性模量為48.5GPa；直徑10mm的GFRP筋抗拉強度為481.2MPa，彈性模量為42.5GPa．混凝土強度等級為C35，實測混凝土立方體抗壓強度平均值fcu=46.8 MPa，軸心抗壓強度平均值fc=39.6 MPa，彈性模量Ec=31 600 MPa．

1.4 試驗裝置和加載方案

采用跨中單點加載方式，疲勞荷載最大值為15 kN，最小值為9kN．根據混凝土結構試驗方法標準[6]，疲勞試驗進行之前先進行預加載，施加荷載至疲勞試驗上限荷載值的20%，前后進行兩次加卸載，以確保試驗裝置各部分連接良好．當荷載循環至1萬、5萬、10萬、20萬、50萬、100萬、200萬次時，停機進行一次加載至疲勞上限的靜載試驗，量測試件跨中撓度、混凝土和GFRP筋的應變及裂縫發展情況．

本試驗疲勞荷載循環次數以200萬次為無窮大,當荷載循環200萬次內試件發生疲勞破壞特征時，停止試驗記錄荷載循環次數、破壞特征等；如若200萬次內試件并沒有發生疲勞破壞，則進行靜力分級加載直至破壞．

2 試驗結果分析

根據試驗中的實測數據和裂縫記錄，下面分別對試件在疲勞荷載作用下的剩余承載力、跨中撓度、GFRP筋應變、受壓區混凝土應變和裂縫進行分析．

2.1 剩余承載力

當疲勞循環次數達到200萬次后，試件沒有發生疲勞破壞，隨后進行靜力加載至破壞，試件靜載破壞試驗得到的荷載-跨中撓度曲線和未經歷疲勞荷載試件的靜載試驗荷載-撓度曲線如圖2所示．

由圖2可以看出，試件在疲勞荷載上限15kN作用下，經過200萬次循環次數后，試件的剩余承載力和極限位移約為未經歷疲勞荷載試件靜力承載力的67%和75%．說明經過疲勞荷載循環后，試件的承載能力和變形能力都有所下降．本文研究的GFRP筋混凝土板，在疲勞下限9kN、疲勞上限15kN作用下，經過200萬次疲勞循環次數后未發生疲勞破壞，仍滿足使用要求．

2.2 跨中撓度

試件在各疲勞循環次數結束后進行靜載試驗得到的荷載-跨中撓度曲線如圖3所示．由圖可以看出，試件在應力水平15 kN作用下，從0次靜載到最終200萬次后的靜載試驗，荷載-撓度曲線出現了明顯的變化．隨著疲勞循環次數的增加，循環后靜載試驗的荷載-撓度曲線斜率逐漸降低，曲線的拐點也逐漸減小，說明由于疲勞荷載作用，板混凝土內部產生的損傷在逐步積累，而且宏觀裂縫也在發展，荷載循環次數越多，損傷的累積程度越大，導致板的抗彎剛度逐漸下降，疲勞上限荷載對應的撓度也明顯增大．疲勞循環200萬次后的跨中撓度達到了3.04 mm，是未經歷疲勞荷載的板相應撓度的1.71倍，但是可滿足板的正常使用要求．

2.3 跨中截面GFRP筋應變

試件跨中GFRP筋應變隨疲勞次數的變化如圖4所示，從圖中可以看出，GFRP筋應變隨疲勞循環次數的增加基本上呈線性增長．疲勞循環1萬次時GFRP筋應變為617.8，20萬次GFRP筋應變為726.3，50萬次GFRP筋應變為759.8，100萬次時GFRP筋應變為852.3，200萬次循環結束后GFRP筋應變達到1000，為1萬次時筋應變的1.62倍．靜載試件在疲勞上限荷載作用下對應的GFRP筋應變為682，與各循環次數后GFRP筋的應變比較發現，1萬次后GFRP筋應變值略低于靜載試件下對應的應變值，之后隨著疲勞循環次數的增加，GFRP筋應變逐步增大．與1萬次后GFRP筋應變相比，20萬次、50萬次、100萬次、200萬次的GFRP筋應變分別增長了17.6%、23.0%、38.0%、61.9%．

圖2 靜載和200萬次疲勞循環后荷載-跨中撓度曲線Fig.2Load-midspan deflection curve after static load and fatigue load of 2 million cycles

圖3 各循環次數靜載試驗曲線Fig.3Test curve at static load after each cycle

2.4 受壓區混凝土應變

受壓區混凝土最大應變隨疲勞循環次數的變化如圖5所示，從圖中可以看出受壓區混凝土最大應變在20萬次范圍內有較小的波動，之后隨著循環次數的增加，受壓區混凝土的應變基本上呈線性增長，受壓區混凝土最大應變為334.5．疲勞循環1萬次時壓區混凝土應變為187.0，20萬次時應變為232，50萬次混凝土應變為243.0，100萬次時應變為265.5，200萬次循環結束后壓區混凝土的應變達到334.5，為1萬次時筋應變的1.79倍．在試驗中觀察發現，隨著循環次數的增大，板側面裂縫逐步向板頂擴展，此時中和軸高度向上移動，受壓邊緣混凝土應變逐漸增大．靜載試件在疲勞上限荷載作用下對應的壓區混凝土應變為192.5，與各循環次數后壓區混凝土應變比較發現，1萬次后壓區混凝土應變值略低于靜載試件下對應的應變值，之后隨著疲勞循環次數的增加，壓區混凝土應變逐步增大．與1萬次后壓區混凝土應變值相比，20萬次、50萬次、100萬次、200萬次的壓區混凝土應變分別增長了24.1%、29.9%、42.0%、78.9%．

圖4 跨中GFRP筋應變隨疲勞循環次數的變化Fig.4Relationship of GFRP bars strains and fatigue cycles

圖5 試件受壓區混凝土應變隨疲勞次數的變化Fig.5Relation of concrete strains at compressive zone and fatigue cycles

2.5 裂縫的發展與開展

在試驗過程中，1萬次范圍內共出現了3條裂縫，之后沒有新裂縫出現，原有裂縫不斷延伸，裂縫寬度逐漸增大．200萬次循環結束后，最大裂縫寬度約為0.40 mm．試件在疲勞荷載上限15 kN作用下最大裂縫寬度如表1所示．對于同樣的疲勞荷載作用下，最大裂縫寬度受荷載循環次數的影響比較顯著，且隨著循環次數的增加，最大裂縫寬度逐漸增大．200萬次循環結束后，最大裂縫寬度是0萬次對應最大裂縫寬度的6.7倍．由此可見，疲勞荷載對裂縫的開展也產生了累積損傷作用，致使在構件承受同樣荷載的情況下，裂縫兩端的混凝土進一步松弛，最大裂縫寬度顯著變寬．

表1 疲勞荷載作用下試件的最大裂縫寬度mmTab.1Maximum crack width of specimens after fatigue load

200萬次疲勞試驗結束后，試件靜載破壞試驗得到的最大裂縫寬度如表2所示．從表中可以看出，當荷載比較小時，最大裂縫寬度已經達到0.24mm．之后再增加荷載，在較小的荷載增量時，最大裂縫寬度的增加非常明顯．最后由于板底裂縫迅速向加載點處截面受壓區發展，縱向受力筋的斷裂而使試件破壞．

表2 試件靜載破壞試驗最大裂縫寬度mmTab.2Maximum crack widths under static load

3 結論

經過本文關于GFRP筋混凝土板在疲勞荷載下的受力性能試驗研究，結果表明，疲勞荷載對GFRP筋混凝土板的受力性能影響比較顯著，可以得出以下主要結論：

1）對于本文研究的GFRP筋混凝土板，在200萬次疲勞荷載作用后，沒有發生疲勞破壞，但其剩余承載力僅為經歷疲勞荷載之前板承載力的67%；

2）疲勞荷載作用后疲勞上限荷載對應的跨中撓度隨著疲勞循環次數的增加而增大，當疲勞荷載循環次數達到200萬次后，疲勞上限荷載對應的跨中撓度比0萬次的對應值增加了70%；

3）在疲勞荷載作用下，隨著疲勞循環次數的增加，疲勞上限荷載對應的GFRP筋和受壓區混凝土的應變基本呈線性增大．與1萬次疲勞循環相比，200萬次循環后板在疲勞上限荷載作用下GFRP筋和受壓區混凝土的應變分別增加了61.9%和78.9%；

4）疲勞荷載對裂縫的發生與發展影響比較明顯，隨著循環次數的增加，最大裂縫寬度逐漸增大．200萬次循環結束后，最大裂縫寬度是0萬次對應最大裂縫寬度的6.7倍，而且在較小的荷載下，裂縫寬度就已經接近正常使用限值．

[1]Chaallal O，Brahim B．Fiber-reinforced plastic rebars for concrete applications[J]．Composites：Part B，1996（27B）：245-252．

[2]高丹盈，李趁趁，朱海堂．纖維增強塑料筋的性能與發展[J]．纖維復合材料，2002（4）：37-40．

[3]高向鈴．鋼筋混凝土粘結錨固的研究進展[J]．結構工程師，2001（2）：29-33．

[4]BrahimBenmokrane，EhabEl-Salakawy，AmrEl-Ragaby．DesigningandtestingofconcretebridgedecksreinforcedwithglassFRPbars[J]．Journal of bridge engineering，2006（11）：217-229．

[5]中國冶金建設協會．GB 50608-2010，纖維增強復合材料建設工程應用技術規程[S]．北京：中國計劃出版社，2011．

[6]GB/T 50152-2012，混凝土結構試驗方法標準[S]．北京：中國建筑工業出版社，2012．

[責任編輯 楊屹]

Experimental study on fatigue behavior of concrete slabs reinforced with glass fiber reinforced polymer(GFRP)bars

ZHAO Jun1，WU Hao2，SUN Hongxian3，ZHANG Fei1

(1.College of Mechanical and Engineering Science,Zhengzhou University,Henan Zhengzhou 450001,China;2.SIPPR Engineering Group Co Ltd,Henan Zhengzhou 450007,China;3.Yunnan Yunling expressway traffic science and technology Ltd,Yunnan Kunming 650000,China)

Based on the fatigue test of GFRP bars reinforced concrete slabs,the effects of the fatigue cycles on residual load-carrying capacity,deflection at mid-span,GFRP bar strain,compressive concrete strain and development of cracks were analyzed.Test results indicate thatunderfatigueloads,with theincreasingoffatiguecycles,the mid-spandeflection, GFRPbarstrain andcompressiveconcretestrainofthespecimencorresponding to theupperload increase,the crackwidths increaseobviously.After thefatiguecycles of2 millions,the residual load-carrying capacityis as lowas 67%that of specimen under static load.

slab;glass fiberreinforced polymer(GFRP)bars;deflection;strains;fatiguecycles;residualload-carrying capacity

TU528.572

A

1007-2373(2015)05-0115-04

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.05.024

2014-09-17

高等學校博士學科點專項科研基金（20124101110014）；河南省高校科技創新團隊支持計劃（15IRTSTHN026）

趙軍（1971-），男（漢族），教授，博士，zhaoj@zzu.edu.cn．