GFRP筋混凝土圓截面梁抗彎力學性能研究

文/謝濤 廣西建工集團基礎建設有限公司 廣西南寧 530000

1、引言

玻璃纖維(GFRP)筋具有耐腐蝕、強度高、質量輕、耐電磁、易切割等優點，是一種既能防腐又有良好力學性能的混凝土增強材料，已廣泛用于工程結構建設。GFRP 筋材主要優點是制造成本低，同時強度高、絕緣性能好。不僅可用于腐蝕嚴重的環境中，提高混凝土結構的耐久性。

針對基坑支護結構的圓形GFRP 筋混凝土圓截面支護樁基本力學性能研究較少，本文開展了以GFRP 筋混凝土圓截面梁在荷載作用下的裂縫分布、極限承載力、應力應變變化情況和破壞形式研究，分析了GFRP 加筋混凝土梁的荷載—變形關系、應力應變分布、裂縫分布、極限承載力和破壞形式等，為進一步在基坑支護等工程中開展應用提供了試驗參考。

2、試驗方案

2.1 試驗概況

本文根據工程中比較常用的GFRP 筋混凝土圓截面支護樁尺寸選擇試驗梁尺寸，并根據相關理論對模型量的彎矩極限值、最大剪力進行計算，試驗制作試驗梁1#、2#、3#進行平行試驗，梁長6 米，截面直徑800 毫米，混凝土設計強度等級為C30，配筋主筋采用12φ20 GRRP 筋，配筋率1.33%，箍筋采用R235 級直徑10mm的鋼筋，混凝土保護層厚度50mm，預估彎矩極限值256 kN·m，預估最大剪力530kN，模型梁箍筋布置如圖2.1 所示。

圖2.1 高70cm 的6m 圓形梁箍筋布置圖（尺寸單位：mm）

2.2 加載裝置

加載裝置提供的構件預估彎矩極限值719kN.m，推算單個反力架拉力為287.6kN，因此試驗中采用了50t 的反力架兩個，大行程加載千斤頂，可滿足試驗要求。室內試驗加載方式如圖2.2 所示。

圖2.2 加載裝置圖（尺寸單位：cm）

為了方便圓形截面梁的放置和加載，在梁的支撐、加載位置，試驗前根據截面的尺寸定做了鋼支座和加載箱。此外，在加載過程中，結合各梁的截面尺寸、長度和對加載設備的要求，在上述加載圖式基礎上，對不同截面梁的支撐位置、加載位置進行了微調，計算結果基于微調后的加載參數，對加筋梁性能分析無影響。

2.3 傳感器布置及試驗儀器

2.3.1 傳感器斷面布置

試驗主要采集的數據包括荷載大小、應變分布和結構變形，相應的傳感器分別為壓力傳感器、電阻式應變計和位移傳感器，同時配備相應的采集儀。傳感器布置如圖2.3 所示。

圖2.3 傳感器布置圖（尺寸單位：cm）

對于圓形截面梁，在跨中截面粘貼電阻式應變計，具體布置情況如圖2.4 所示。所有鋼筋應變片在綁扎鋼筋階段進行布設，并采取了有效的保護措施。

圖2.4 應變計布置圖（尺寸單位：cm）

2.4 試驗方法及步驟

1.試驗前對各構件進行理論分析，掌握構件的理論開裂荷載和極限破壞荷載。

2.根據開裂、極限破壞荷載進行合理的荷載分級，為獲得較好的荷載—撓度曲線，在開裂荷載附近及鋼筋屈服（條件屈服）附近，對荷載分級進行加密。

3.試驗步驟：

（1）試驗前將有關傳感器粘貼好（鋼筋應變計在澆筑混凝土前預埋）；

（2）混凝土表面用石灰刷白，打上方格網；

（3）將試驗梁架設到試驗平臺上，調試加載設備和數據采集儀；

（4）進行初讀數，分級加載，每一級讀取荷載值、應變值和變位，觀察裂縫開展情況，在梁表面進行標示。

2.5 混凝土強度評定

試驗梁混凝土澆筑采用同一批混凝土，混凝土強度一方面通過同條件養生試塊進行試驗，另一方面對部分試驗梁在試驗后進行取芯進行測試。考慮到加載對混凝土性能的影響，取芯位置設在梁的端部附近。從最終試驗結果看，試塊強度與設計要求強度基本吻合，但取芯強度離散性較大。

3、試驗結果及分析

3.1 裂縫發展情況

由試驗結果記錄的各梁裂縫隨荷載變化情況，可以看出，達到極限荷載后，在中部出現裂縫并逐漸延伸、擴大，破壞前裂縫寬度在0.96～1.24mm 之間，其裂縫發展規律和傳統鋼筋混凝土梁類似。

3.2 受力全過程及極限承載能力

由1#、2#、3#梁破壞形態及內部GFRP-混凝土粘結情況分析整個加載過程，破壞位置出現在梁重點位置附近，破壞后出現了GFRP、混凝土玻璃的情況，部分暴露出來的GFRP 筋尚未破壞。1#、2#、3#梁的荷載-撓度曲線如圖3.1所示，可以看出受力過程明顯可分為兩個工作階段：全截面彈性工作階段、曲線發展階段直至接近破壞，第一階段施加荷載大小約為160kN 左右，隨后進入曲線發展階段，梁跨中彎矩值達到456kN.m，比預期承載能力大146%。1#、2#均達到抗彎破壞，3#梁在卸載過程中又出現粘結破壞如圖3.2 所示。

圖3.1 1#、2#、3#梁荷載-撓度曲線

圖3.2 3#梁荷載-撓度曲線

3.3 應變情況

3.3.1 鋼筋應變

各梁鋼筋應變發展情況與荷載撓度曲線基本相一致，在梁出現裂縫后，鋼筋應變出現轉折。在試驗中GFRP 鋼筋的最大應變達到17800με，按彈模40GPa 計算，鋼筋應力水平為 712MPa。

圖3.3 圓形梁筋材試驗應變曲線

3.3.2 混凝土應變情況

圖3.4 1#梁上緣混凝土應變曲線

混凝土受壓上緣粘貼有一個應變片，實測壓應變情況如圖3.4 所示。從整個應變曲線可以看出，整個試驗過程可分為破壞前和破壞后兩個階段，破壞前曲線大致呈線性，應變值達到3100με左右，梁破壞后應變急劇變小，中間無緩變過程。

結論：

（1）全GFRP 筋梁的受力過程有兩個工作階段：①全截面彈性工作階段；②曲線發展階段直至接近破壞，第一階段施加荷載大小約為160kN 左右，隨后進入曲線發展階段，梁跨中彎矩值達到456kNm，比預期承載能力大146%，表明全GFRP 筋梁抗彎力學性能基本滿足工程需求；

（2）梁達到抗彎承載能力時，GFRP 鋼筋的最大應變達到17800με，與普通鋼筋梁的相當；

（3）試驗中觀測到3#梁達到承載能力后，在卸載過程中發生筋材與混凝土之間的粘結破壞，有必要進一步改進GFRP 筋與混凝土的粘結，研究在持久荷載作用下，結構的受力性能。