GFRP肋式剪力連接件受力性能對比試驗研究

黃海林，李遨，祝明橋，郭原草，曾垂軍

(湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

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GFRP肋式剪力連接件受力性能對比試驗研究

黃海林，李遨，祝明橋，郭原草，曾垂軍

(湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

組合結(jié)構(gòu)；肋式剪力連接件；推出試驗；破壞機理；粘結(jié)滑移

界面滑移是影響GFRP混凝土組合梁/板受力性能的重要因素。實際工程中，可在GFRP混凝土組合梁/板的界面增設(shè)剪力連接件保證GFRP與混凝土的協(xié)同工作，目前常用的方法有界面噴砂、粘貼GFRP剪力連接件[8]、預(yù)埋栓釘[9]以及采用膨脹劑連接等。其中，以粘貼GFRP剪力連接件和預(yù)埋栓釘?shù)姆椒ㄗ顬榭煽浚瑸榇耍珿B 50608—2010《纖維增強復(fù)合材料建設(shè)工程應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》規(guī)定：GFRP混凝土組合梁的界面應(yīng)粘貼樹脂混凝土條、GFRP波形板、GFRP小工字梁等有效的剪力連接件保證界面可靠連接。為改善下部GFRP構(gòu)件與上部混凝土的界面粘結(jié)性能，Kubo等[10]、Cho等[11]、Bank等[8, 12]、Fam等[5]、Keller等[13]、楊勇等[14]、黃輝等[15]、薛偉辰等[16]，分別借助不同構(gòu)造做法各自開發(fā)了GFRP混凝土組合橋面板，其共同點在于：在GFRP底模上增設(shè)GFRP板肋，伸出的板肋兼作為剪力連接件。

圍繞GRRP混凝土組合梁/板中剪力連接件的力學(xué)性能，國內(nèi)外學(xué)者進行了初步探索，主要有：Nguyen等[17]通過在GFRP工字形構(gòu)件上預(yù)埋抗剪栓釘，進行了采用栓釘?shù)腉FRP超高性能纖維改性混凝土界面推出試驗研究；薛偉辰等[16]、Nam等[18]也分別對開孔板GFRP剪力連接件進行了推出試驗研究。以上推出試驗研究為GFRP剪力連接件的工程應(yīng)用提供了理論依據(jù)，但主要集中在栓釘和矩形開孔板兩種形式。為此，筆者提出一種增設(shè)有T形肋或矩形肋剪力連接件的GFRP空心箱形構(gòu)件，如圖1所示。整個GFRP空心箱形構(gòu)件通過拉擠工藝一次成型，能很好的保證伸出的剪力連接件與下部空心箱形構(gòu)件形成整體共同受力，并通過對比試驗重點研究了肋內(nèi)開孔及肋的截面形式對GFRP肋式剪力連接件受力性能的影響。

圖1 GFRP空心箱形構(gòu)件Fig.1 GFRP hollow box

1 推出試件設(shè)計與制作

1.1 推出試件設(shè)計

參考歐洲規(guī)范4設(shè)計了3組共8個GFRP肋式剪力連接件，包括矩形肋開孔、T形肋開孔以及T形肋不開孔3組GFRP肋式剪力連接件，編號分別為JK1～JK2、TK1～TK3及T1～T3。每個推出試件由中間GFRP空心箱形構(gòu)件與左右兩邊混凝土塊組成。推出試件設(shè)計見圖2。推出試件GFRP材性參數(shù)見表1，混凝土立方體抗壓強度實測平均值為31.2 MPa。

圖2 推出試件設(shè)計Fig.2 Push-out specimens

質(zhì)量密度/(kg·m-3)縱向拉伸強度/MPa縱向壓縮強度/MPa橫向拉伸強度/MPa縱向拉伸彈性模量/GPa20004732652413.8

1.2 推出試件制作

推出試件的中間GFRP空心箱形構(gòu)件由兩個增設(shè)有剪力連接件的GFRP箱型構(gòu)件，通過粘接組合成型。粘貼步驟：首先，用砂紙打磨GFRP表面，打磨方向呈45°；隨后，清理表面的灰塵并用酒精洗凈；在GFRP粘貼面上抹結(jié)構(gòu)膠并對中按壓；最后，養(yǎng)護7 d，成型后的中間GFRP構(gòu)件見圖3。為避免加載時頂端GFRP上的局壓應(yīng)力過大而導(dǎo)致局壓破壞，在頂端空心箱中用混凝土灌實，灌實長度為150 mm。

圖3 拼接成型后的中間GFRP空心箱形構(gòu)件Fig.3 GFRP hollow box components after

2 試驗裝置、加載方案及測點布置

試驗用主要設(shè)備有：大剛度反力門架、250 t千斤頂、JMZX智能振弦實心荷載傳感器、DH3816靜態(tài)應(yīng)變測試分析系統(tǒng)以及百分表。試驗裝置見圖4。

圖4 試驗裝置Fig.

加載分預(yù)加載和正式加載兩階段。預(yù)加載時每級荷載取10 kN，荷載上限取0.1倍計算極限荷載；正式加載分2個控制階段，開裂前采用力控制加載，每級荷載取計算極限荷載的1/20，開裂后改由位移控制加載，每級位移加載取0.2 mm。

為測量GFRP肋式剪力連接件的應(yīng)變變化規(guī)律，在矩形肋、T形肋以及GFRP空心箱的側(cè)壁上布置應(yīng)變片，應(yīng)變測點布置見圖5。

圖5 應(yīng)變片布置示意圖Fig.5 Strain gauge

為測量GFRP與混凝土粘貼界面的豎向滑移和混凝土塊的水平側(cè)移，分別布置了2個百分表，布置示意如圖6所示。

圖6 百分表布置示意圖Fig.6 Displacement transducer

3 試驗結(jié)果及分析

3組試件的主要試驗結(jié)果見表2。其中，pu為極限承載力、su為極限承載力對應(yīng)的滑移量。

表2 推出試驗結(jié)果Table 2 Test results

3.1 試驗過程及破壞形態(tài)

1)兩類GFRP肋式剪力連接件受力全過程

矩形肋開孔試件JK1～JK2：兩個試件表現(xiàn)出基本相同的受力性能，下面,僅以試件JK1為代表來說明本組試件從開始加載到最終破壞的受力全過程。開裂前荷載穩(wěn)定上升，滑移變化較小。354 kN時，左右兩邊混凝土塊頂面沿矩形肋端部邊緣突然出現(xiàn)45°角斜主裂縫；繼續(xù)加載，左右兩邊混凝土塊內(nèi)表面底部同時出現(xiàn)人字形劈裂縫，該裂縫始于底部矩形肋最外邊緣并同時向兩側(cè)呈人字形延伸，左右兩邊混凝土塊外表面頂部出現(xiàn)一些細小的豎向劈裂縫、且不斷向下延伸；389 kN時，兩邊混凝土塊出現(xiàn)劈裂破壞，破壞始于兩邊混凝土塊頂面的斜主裂縫迅速擴展，破壞時GFRP肋式剪力連接件基本完整。典型破壞形態(tài)及裂縫分布見圖7。

圖7 矩形肋試件典型破壞形態(tài)及裂縫分布圖Fig.7 Typical failure pattern and crack

圖8 T形肋試件典型破壞形態(tài)及裂縫分布圖Fig.8 Typical failure pattern and crack

2)肋內(nèi)開孔對試件受力性能的影響

T形肋不開孔試件T1～T3呈現(xiàn)出與T形肋開孔試件TK1～TK3基本相同的受力性能，其最終破壞形態(tài)與裂縫分布機理相同，最終左右兩邊混凝土塊出現(xiàn)劈裂破壞，破壞始于混凝土塊內(nèi)表面底部的八字形劈裂主裂縫，破壞時GFRP肋式剪力連接件基本完整；區(qū)別在于T形肋開孔后，孔內(nèi)混凝土榫產(chǎn)生的銷栓效應(yīng)明顯提高了試件的極限承載力，改善了試件的抗剪延性，對比表2可知，T形肋開孔后，平均強度提高48.8%，極限強度對應(yīng)的平均滑移增大53.3%。可見，T形肋開孔后，能顯著改善GFRP肋式剪力連接件的受力性能，但不能改變其最終破壞形態(tài)。

3)肋的截面形式對試件受力性能的影響

對比矩形肋開孔試件JK1～JK2與T形肋開孔試件TK1～TK3，可以發(fā)現(xiàn)：兩者開孔形式相同，肋的截面形式不同，T形肋明顯增大了GFRP與混凝土的接觸面積；盡管最終破壞時兩類試件均為混凝土劈裂破壞，但破壞時起控制的主裂縫不同，矩形肋開孔試件破壞始于左右兩邊混凝土塊頂面的斜主裂縫迅速擴展，而T形肋開孔試件破壞始于混凝土塊內(nèi)表面底部八字形劈裂主裂縫迅速擴展。根據(jù)表2，對比矩形肋開孔試件的平均強度，T形肋不開孔試件、T形肋開孔試件分別高出6.0%、57.7%，可見肋的截面形式對試件承載力的影響要遠大于孔內(nèi)混凝土榫對試件承載力的影響，因此，實際工程中若需要較高的抗剪強度，建議首先采用T形肋，其次可在肋內(nèi)開孔；對比T形肋開孔試件極限強度對應(yīng)的平均滑移，矩形肋開孔試件小13.3%，可見T形肋比矩形肋試件的延性要好。

圖9 荷載滑移曲線Fig.9 Load versus slip curves

3.3 GFRP肋式剪力連接件軸向壓應(yīng)變變化規(guī)律

圖10 GFRP肋式剪力連接件肋上 荷載軸向壓應(yīng)變曲線Fig.10 Load versus strain curves in the ribs

3.4 GFRP空心箱體側(cè)壁軸向壓應(yīng)變變化規(guī)律

圖11 GFRP空心箱體側(cè)壁 荷載軸向壓應(yīng)變曲線Fig.11 Load versus strain curves in the GFRP

4 GFRP肋式剪力連接件受力性能計算

4.1 GFRP肋式剪力連接件極限承載力計算公式

基于以上試驗研究結(jié)果可知，兩類GFRP肋式剪力連接件最終破壞均由混凝土劈裂破壞控制，GFRP肋式剪力連接件基本完整，影響GFRP肋式剪力連接件極限承載力的主要因素有：1)左右兩邊混凝土塊的強度；2)GFRP肋式剪力連接件中肋的截面形式，主要包括矩形肋和T形肋兩種情況；3)肋內(nèi)孔洞內(nèi)混凝土榫提供的銷栓力。GFRP肋式剪力連接件極限承載力Vu計算公式為

(1)

(2)

(3)

式(1)中:Vc1為混凝土榫所提供的抗剪銷栓力，按式(2)進行計算；Vc2為左右兩邊混凝土塊所提供的強度，按式(3)進行計算。需要說明的是，對于T形不開孔試件，其極限承載力僅取決于左右兩邊混凝土塊的強度，故式(1)應(yīng)改為Vu=Vc2。

式(2)中:n1為混凝土榫的數(shù)目；α1為孔洞截面系數(shù)，對于圓孔可取1.0；α2為剪力連接件截面形狀系數(shù)，T形肋剪力連接件建議取1.2，矩形剪力連接件建議取1.0；Ac為單個孔洞截面面積；ft混凝土軸心抗拉強度設(shè)計值。

式(3)中:n2為混凝土塊的數(shù)目，取2.0；η為兩邊混凝土塊共同受力均勻系數(shù)，取值不超過1.0，主要表明兩邊混凝土塊共同受力的均勻度，本文中取1.0；b為混凝土塊厚度；h為混凝土塊高度；αb、αh分別為與混凝土塊厚度b、高度h有關(guān)的承載力折減系數(shù)，取值不超過1.0，主要反映混凝土塊參與受力面的面積大小，本文中T形肋試件αb與αh均取1.0，矩形肋試件αb與αh分別取0.88和1.0。

根據(jù)式(1)～(3)計算的GFRP肋式剪力連接件承載力計算值與試驗值對比結(jié)果見表3。由表3可知，對于矩形肋開孔試件與T形肋不開孔試件，按本文公式計算的極限承載力與試驗值吻合很好；對于T形肋開孔試件，按本文公式計算的極限承載力具備較高的安全儲備。

表3 GFRP肋式剪力連接件承載力 試驗值與計算值對比結(jié)果Table 3 Comparison of ultimate shearing capabilitybetween test value and calculated value

4.2 抗剪剛度計算公式

(4)

式中：s表示界面滑移，p為承載力；pu為GFRP肋式剪力連接件的極限承載力；α、β的取值與肋內(nèi)開孔情況、肋的截面形式相關(guān)，其取值為

圖12 荷載滑移擬合曲線Fig.12 Load versus slip fitting

矩形肋開孔試件：α=0.468，β=0.830

T形肋開孔試件：α=0.668，β=0.770

T形肋不開孔試件：α=0.509，β=0.661

(5)

式中：pu為GFRP肋式剪力連接件的極限承載力；s0.4pu為荷載達到0.4pu時所對應(yīng)的滑移量。

將p=0.4pu代入式(4)，得

(6)

故最終抗剪剛度K為

(7)

5 結(jié) 論

通過3組共8個GFRP肋式剪力連接件的推出試驗，重點研究肋內(nèi)開孔及肋的截面形式對GFRP肋式剪力連接件受力性能的影響，其結(jié)論如下：

1)所有試件均呈相同的破壞機理，最終破壞時混凝土出現(xiàn)劈裂破壞，GFRP肋式剪力連接件基本完整。

2)對比矩形肋開孔GFRP肋式剪力連接件，T形肋開孔GFRP肋式剪力連接件能提供更高的抗剪強度以及更好的抗剪延性；對比T形肋不開孔剪力連接件，肋內(nèi)開孔后，T形肋開孔GFRP肋式剪力連接件能提供更高的抗剪強度以及更好的抗剪延性。

3)基于試驗得到的破壞機理，建立了考慮肋內(nèi)開孔情況及肋截面形式影響的GFRP肋式剪力連接件極限承載力計算公式。

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(編輯 王秀玲)

National Natural Science Foundation of China(No.51308207，No.51378202)；Project of Hunan Province Education Office (No. 14C0439).

Comparative analysis of push-out tests for two kinds of GFRP shear connectors

Huang Hailin,Li Ao,Zhu Mingqiao,Guo Yuancao,Zeng Chuijun

(College of Civil Engineering, Hunan University of Science and Technology,Xiangtan 411201,Huan,P.R.China)

Shear connectors are the important detailings affecting the mechanical properties of GFRP-concrete composite beams/decks. Rectangular rib and T-type rib GFRP shear connectors are put forward to improve the interfacial bond properties between GFRP and concrete. Eight push-out tests are conducted to evaluate the mechanical behaviors of two rectangular perforated rib GFRP shear connectors and three T-type perforated rib GFRP shear connectors, as well as three T-type rib GFRP shear connectors. The failure patterns, ultimate bearing capacities, load-slip behaviors and load-strain regularities are obtained by contrast tests. Results show that T-type perforated rib GFRP shear connectors show higher strength and better ductility than rectangular perforated rib GFRP shear connectors, and T-type perforated rib GFRP shear connectors show higher strength and better ductility than T-type rib GFRP shear connectors. An empirical equation to predict the ultimate shear resistance is proposed and validated by the experimental data. Idealized load-lip models and equations to predict the load versus slip relationship for all specimens are proposed. Curve fittings are performed to find fitting parameters for all tested specimens and the results show a very good correlation with those of the experiments. An empirical equation to predict the shear rigidity is proposed.

composite structure; shear connector; push-out test; failure mechanism; bond-slip behavior

10.11835/j.issn.1674-4764.2016.05.005

2015-12-02

國家自然科學(xué)基金(51308207、51378202)；湖南省教育廳項目(14C0439)

黃海林(1984-)，男，博士，主要從事組合結(jié)構(gòu)及新材料應(yīng)用研究，(E-mail)hhlvsgenius@163.com。

U443; TU398

A

1674-4764(2016)05-0034-09

Received:2015-12-02

Author brief：Huang Hailin(1984-)，PhD，main research interests:composite structure and application of new materials,(E-mail)hhlvsgenius@163.com.