GFRP混凝土梁抗彎性能研究

王 冰 李竹青

(1.濟南軍區(qū)善后辦綜合局，山東 濟南 250022； 2.洛陽市規(guī)劃建筑設計研究院有限公司，河南 洛陽 471000)

1 概述

從材料科學和結構力學來講，采用組合結構是提高結構構件力學性能的有效途徑。大量試驗研究表明，GFRP—混凝土組合結構具有自重輕、耐久性好及承載力高等優(yōu)良性能，該組合結構在工程實踐中已得到了較多應用。胡瑞，汪劍輝，顔海春等[1]對GFRP桿進行了準靜態(tài)抗壓性能和沖擊性能試驗，得到的GFRP材料的動力提高系數(shù)高達1.58。吳慶鋒，劉華新[2]開展的BFRP筋再生混凝土梁撓度試驗研究表明，BFRP筋混凝土梁的撓度比鋼筋混凝土梁的撓度大，但延性要差。張衛(wèi)東，王振波，王成武[3]對GFRP筋與再生混凝土粘結性能的試驗研究得出，由于剪力滯后的影響平均粘結強度隨GFRP筋直徑的增大而下降。馮鵬，王杰，張梟等[4]提出了一種面向海洋的新型FRP海砂混凝土組合結構，為海砂混凝土與FRP在工程中的應用提供了新思路。李耘宇，王言磊，歐進萍[5]提出了一種新型GFRP/鋼—混凝土組合梁，研究了復合鋼板對GFRP—混凝土組合梁性能的影響，結果表明，復合鋼板后，GFRP—混凝土組合梁的性能得到了大幅提升。FRP—混凝土組合結構中的FRP材料與混凝土具有極強的互補性，二者組合能夠揚長避短，優(yōu)勢互補，可最大限度地發(fā)揮兩種材料的優(yōu)勢。因此，既要充分利用FRP材料的優(yōu)良性能，同時又要滿足兩者之間的變形協(xié)調(diào)，是該組合結構需要解決的問題。鑒于此，本試驗結合課題“纖維增強復合材料人防工程防護門研制”中的研究內(nèi)容，以研制的防護門的尺寸設計和受力筋配置為參考，以GFRP型材為主要受力筋制作了GFRP混凝土梁，并對其進行了相關力學性能試驗研究。

2 試驗概況

2.1 組合梁有關參數(shù)

本試驗是“纖維增強材料人防工程防護門研制”課題的靜力性能試驗部分，所研制的防護門尺寸為：長×寬×厚=2 800 mm×3 000 mm×130 mm。為了模擬門板的受力性能，縮短試驗時間與節(jié)約經(jīng)費，將門板簡化為梁進行試驗。除寬度外，梁的尺寸設計、受力筋配置及混凝土強度等與防護門的一致。采用五分點加載以模擬防護門承受的沖擊波均布等效荷載。

1)尺寸：長×寬×高=2 800 mm×150 mm×130 mm。2)配筋：縱筋與箍筋作為骨架，采用Φ8的二級鋼筋，GFRP工字型材為主受力筋。3)梁分組：梁共3組，每組3根。第一組，梁1～梁3，混凝土強度等級C40，箍筋Φ8@100；第二組，梁4～梁6，混凝土強度等級C50，箍筋Φ8@150；第三組，梁7～梁9，混凝土強度等級C60，箍筋Φ8@200。試驗梁各參數(shù)如圖1所示。4)材料參數(shù)：組合梁主要材料參數(shù)見表1。

表1 組合梁材料參數(shù)

參數(shù)抗拉強度/MPa抗壓強度/MPa彈性模量/GPaGFRP80353028.2鋼筋Ⅰ級221221213.3Ⅱ級325325202.5混凝土C4042.233.5C5052.935.5C6064.236.5

2.2 加載與量測

1)加載裝置：采用500 kN千斤頂，兩級分配梁，五分點加載模擬均布荷載。兩支座間距2 500 mm，相鄰加載點間距500 mm。

2)量測：a.應變：共布置6個應變點測量GFRP型材應變，梁上表面跨中布置1個受壓測點，梁下表面均布5個受拉測點；b.跨中位移：梁下部跨中及兩側各500 mm處共布置3個位移測點。

3 試驗結果與分析

3.1 典型破壞特征

組合梁的破壞是由于壓區(qū)混凝土抗壓強度的耗盡而GFRP型材受拉變形較大引起的。混凝土是彈塑性材料，其抗拉強度約為抗壓強度的1/10，在較小的拉伸變形下即出現(xiàn)裂縫，當應力超過一定限度時將出現(xiàn)塑性變形。破壞前裂縫顯著開展，上部壓區(qū)混凝土產(chǎn)生很大局部變形，形成塑性變形區(qū)域，最后隨著壓區(qū)混凝土的壓碎而破壞。圖1為試驗梁的局部破壞圖。試驗過程中，當加載至20 kN時開始出現(xiàn)初始裂縫；加載至60 kN時，豎向裂縫向上擴展至梁高的1/2，這時主要為豎向裂縫，基本沒有斜裂縫出現(xiàn)；加載至90 kN時，箍筋間距為100 mm的梁，主要為豎向裂縫(見圖1a))，箍筋間距200 mm的梁，出現(xiàn)少量斜裂縫；加載至100 kN時，豎向裂縫發(fā)展到梁高的3/4，跨中上部壓區(qū)混凝土發(fā)生剝離(見圖1c))。箍筋間距為200 mm的梁，斜裂縫繼續(xù)發(fā)展，梁高1/2下部出現(xiàn)水平裂縫(見圖1d))；加載至120 kN時，裂縫快速增長，梁上表面混凝土被壓碎，跨中位移迅速增大，最大值為12.45 mm(見圖1b)，圖1d))。此時承載力不再增加，梁達到極限承載力。GFRP型材雖產(chǎn)生很大變形但并未發(fā)生斷裂。

3.2 試驗結果曲線

圖2為試驗結果曲線。

3.3 試驗結果分析

1)梁加載至破壞荷載50%(約60 kN)之前，荷載—撓度曲線近似于線性關系；繼續(xù)加載，撓度增加加快，荷載—撓度曲線呈非線性變化，如圖2a)所示。同樣，荷載—裂縫及荷載—應變之間也呈現(xiàn)類似變化趨勢，如圖2b)，圖2c)所示。2)混凝土強度等級的影響：混凝土強度等級對梁的極限承載力影響不明顯。梁1～梁3的混凝土強度等級為C40，平均極限承載力為117.5 kN；梁4～梁6的混凝土強度等級為C50，平均極限承載力為115.0 kN，梁7～梁9混凝土強度等級為C60，平均極限承載力為111.3 kN。三組梁的極限承載力平均為114.6 kN，見圖2d)～圖2f)。3)箍筋間距的影響：箍筋間距對梁的承載力影響不明顯，同強度條件下箍筋間距大的比間距小的承載力稍低，但箍筋間距對梁的破壞形態(tài)有明顯影響。當箍筋間距為100 mm時，主要是垂直裂縫，基本沒有斜裂縫出現(xiàn)。當箍筋間距為200 mm時，梁支承處出現(xiàn)斜向裂縫。至接近極限荷載時，梁下部或支座附近會出現(xiàn)明顯的水平滑移裂縫。4)GFRP型材與混凝土的粘結性能：當加載至約100 kN時，梁發(fā)出間斷清脆的“嘣嘣”聲，繼續(xù)加載，該聲音頻率加快，接近極限荷載時該聲音連續(xù)發(fā)出，GFRP型材與混凝土之間局部發(fā)生粘結破壞。砸開后發(fā)現(xiàn)，GFRP型材沒有發(fā)生斷裂，翼緣完好，僅腹板中部局部出現(xiàn)單條連續(xù)裂縫。5)撓度值及變形恢復情況：梁混凝土上表面發(fā)生剝離時，跨中撓度均值為7.61 mm，遠小于規(guī)范對混凝土構件撓度變形的允許值L/200=12.5 mm；達到極限荷載時，跨中撓度均值為12.45 mm，小于規(guī)范允許值的12.5 mm，滿足變形要求；連續(xù)加載至梁上部混凝土破壞然后卸載，絕大部分變形可以恢復，僅有少量的殘余變形，表明連續(xù)加載和快速卸載時，GFRP混凝土梁具有很好的變形恢復能力。與鋼筋混凝土適筋梁的受力性能相對比，之所以出現(xiàn)2)，3)項的試驗結果，是因為GFRP型材抗拉強度較高，而當試驗梁破壞時型材尚未達到屈服極限有關。可以通過提高壓區(qū)混凝土強度或增加壓區(qū)配筋的方法優(yōu)化組合結構的受力性能。

4 結語

1)GFRP混凝土梁早期受力階段，載荷—撓度曲線基本呈線性關系，荷載加至大于60 kN時，位移的增大加快，載荷—撓度曲線呈非線性變化。2)GFRP受力筋與混凝土粘結性能良好，能夠協(xié)同工作，共同受力。GFRP型材、鋼筋骨架與混凝土相互約束，協(xié)同工作，既保證了GFRP型材較高比強度的發(fā)揮，也提高了混凝土的性能。3)混凝土強度等級對GFRP混凝土梁的極限承載力影響不明顯，梁的極限承載力均值為114.6 kN；箍筋間距對梁的極限承載力影響較小，同強度條件下箍筋間距大的承載力比間距小的稍低，但箍筋間距對梁的破壞形態(tài)有明顯影響。4)GFRP混凝土梁的受力性能良好，當組合梁達到極限荷載時，型材沒有發(fā)生斷裂破壞，僅腹板中部局部產(chǎn)生水平剪切裂縫；GFRP混凝土梁具有很好的變形恢復能力；達到極限荷載時，組合梁變形滿足規(guī)范要求。為了充分發(fā)揮GFRP型材的高抗拉性能，可以采取提高壓區(qū)混凝土強度或增加壓區(qū)配筋的措施。