GFRP箍筋彎折強度試驗及理論研究*

汪國賢，李明，張黎飛，李斌，胡勇

(1.珠海鶴港高速公路有限公司，廣東 珠海 519000；2.深圳海川新材料科技股份有限公司，廣東 深圳 518000；3.東莞理工學院，廣東 東莞 523808；4.江蘇海川新材料科技有限公司，江蘇 句容 212400)

纖維增強復合材料(FRP)為脆性材料，采用FRP作為箍筋或異形構件時，折角處FRP箍筋會形成應力集中，故FRP折角處筋材強度直接影響FRP筋砼構件的工作性能。FRP筋折角加工過程中，彎折造成GFRP筋內外纖維受力不均勻，導致應力集中，由于GFRP筋不能進行應力重分布，導致強度降低。現有做法是控制筋材應變水平低于0.4%～0.5%或提高箍筋用量，但會引起FRP箍筋經濟性能下降。為此，在GFRP箍筋剪切計算中將箍筋貢獻強度按照需要進行折減，避免出現剪切破壞，這就造成FRP箍筋的高配筋率。因此，需明確帶折角FRP箍筋強度變化規律。Ehsani M.R.等研究發現，當rb/db(彎折半徑/筋材直徑)減小時，折角處筋材強度衰減，同時指出FRP折角應避免rb/db<3的情況，以降低折角處應力集中程度。EI-Sayed A.K.等研究發現，ACI規范中關于FRP折角強度的計算模型過高地估計了FRP筋折角強度。Morphy R.的研究表明FRP箍筋種類、彎曲半徑和砼強度等均對箍筋強度有影響，FRP箍筋強度隨彎折半徑減小而顯著降低。Currier J.等的研究表明FRP箍筋彎折強度衰減77%。各國學者對FRP箍筋強度受彎折角影響的初步規律已形成了較統一的意見，但現有研究主要針對90°折角箍筋，對不同角度FRP箍筋強度和破壞機理尚不明確。為研究GFRP筋折角強度隨彎折角度變化的規律及帶折角箍筋的破壞機理，該文設置4組GFPR筋帶折角試驗研究不同GFRP筋折角強度，通過分析筋材折角處破壞模式研究破壞機理，根據折角筋破壞物理開裂過程，闡述不同彎折角度時GFRP筋材的強度衰減規律和過程，建立帶角度GFRP筋強度預測模型。

1 試驗設置

設置4組試驗、21個試件，為考慮帶折角FRP筋的離散性，每組折角筋試驗設置6個試件，直筋試驗設置3個試件(見表1)。FRP帶折角筋試驗方法采用美國標準ACI 440.3R—04中對工程用FRP材料的B.5彎折箍筋試驗方法(見圖1)。直筋強度試驗見圖2。

圖1 B.5試驗方法

表1 試件設置

試驗采用砼保護GFRP筋折角筋，試件包括錨固端和試驗端，錨固端全部澆筑砼，試驗端在筋材縱向方向設置脫黏區域，使荷載能直接傳遞到折角位置，然后澆筑砼。不同角度GFRP筋的安裝見圖3。

圖3 GFRP筋帶折角強度試件

GFRP筋直筋試件中，為防止GFRP筋在試驗機夾持力作用下發生破壞，端部安裝錨固套筒，套筒與GFRP筋之間填充膨脹水泥進行錨固。試驗采用直徑12 mm GFRP筋，彈性模量52 GPa，強度805.27 MPa，砼強度50 MPa，標準條件養護28 d。GFRP筋折角試驗中，錨固端和試驗端中間采用液壓作動器進行加載，加載速度1 mm/min，采用TDS-530靜態應變采集器進行荷載數據采集，采集頻率為1 Hz(見圖4)。

圖4 試件及試驗裝置

2 試驗結果與分析

不同折角GFRP筋的強度見表2。由表2可知：筋材折角對強度影響較大，隨著筋材彎折角增加，筋材強度迅速衰減，這是由于折角在受力時，內側纖維在生產過程中產生褶皺，筋材玻璃纖維不能協同受力造成強度衰減。彎折角為30°時，強度衰減40.3%，說明折角在受力過程中出現應力集中，部分纖維受力高于受拉極限強度而提前破壞。筋材折角高于60°時，筋材強度衰減速率降低，這是由于筋材彎折過程中，松弛纖維占比增加放緩，增加角度對應力集中現象的影響逐漸降低。GFRP筋折角角度為90°時，強度衰減75.5%，強度平均值不足200 MPa，帶折角GFRP筋強度衰減較大，需根據實際工程進行合理設計，避免出現GFRP箍筋破壞。

表2 帶折角GFRP筋強度試驗結果

筋材強度隨折角角度的變化見圖5。由圖5可知：筋材折角由0增加至30°時，強度衰減速率高于更大角度，這是由GFRP筋的組成結構決定的。GFRP筋包括玻璃纖維與基體，基體為脆性材料，抗拉強度遠低于玻璃纖維，主要起保護、固定玻璃纖維的作用。玻璃纖維抗拉強度高，但抗剪性能弱，在基體內部受力時，需要基體提供側向支撐。因此，GFRP筋產生折角后，折角內側纖維發生褶皺，根據GFRP筋折角處橫截面受力平衡，彎折會造成較大范圍的玻璃纖維褶皺松弛，因而彎折角度較小時對強度造成較大影響。GFRP筋折角由30°增加至90°時，筋材折角強度近似為線性變化，說明GFRP筋角度增加至30°以上時筋材應力集中程度呈線性增加。

圖5 筋材強度隨折角的變化

3 破壞機理分析

為研究GFRP筋折角部位斷裂機理，對試件斷裂處進行分析，GFRP筋折角處破壞模式見圖6。由圖6可知：GFRP筋折角處破壞狀態均為折角內部基體與纖維斷裂，而后折角外側纖維拉伸斷裂。GFRP筋折角內側纖維斷裂均為齊平狀態，說明該處纖維基體并未協同受力變形，受力狀態下基體首先出現開裂，然后纖維應力集中造成斷裂。折角內部斷裂面處纖維褶皺造成斷裂面纖維受力不均，導致筋材折角內部斷裂。折角內部斷裂后，折角外側纖維受力，但基體裂縫已發展到筋材外側，纖維拉應力在折角處突變，導致強度衰減。這一現象在折角為90°時最明顯，折角30°筋材的破壞形態與GFRP筋直筋破壞形態更接近。GFRP筋折角破壞時，內側基體首先開裂，該位置處纖維的參與受拉程度較低，因而出現折角內側纖維整體斷裂現象。根據GFRP筋折角位置實際破壞形態，折角內側整體斷裂程度與筋材角度有關，筋材角度增加，則斷裂深度增加。帶折角筋材內側開裂后，外側基體與纖維協同受力，最終斷裂。這一過程中，折角與纖維的有效面積與筋材強度相關。

圖6 折角處筋材斷裂形態

筋材斷裂面見圖7。由圖7可知：在受力狀態下，折角處內部基體應力集中，基體承擔的應力比例較大，達到基體破壞強度時開裂，基體裂縫造成折角內側纖維斷裂。30°折角試件基體開裂方向與縱向夾角較小，同時受到纖維約束，基體開裂深度較小。隨著角度增加，基體裂縫進一步增大，開裂深度增大。折角內部斷裂后，荷載主要由筋材外側剩余面積承擔。經過現場測量，30°、60°、90°折角筋有效面積平均值分別為74.25、43.96、26.39 mm2，計算得折角內側基體開裂面積平均值分別為38.85、69.14、86.71 mm2(見表3)。

圖7 GFRP筋折角筋斷裂過程示意圖

表3 折角筋有效面積試驗結果

4 折角筋強度預測模型

日本規范JSCE(1997)采用的FRP箍筋彎曲強度計算方法[見式(1)]被廣泛使用，該方法采用rb/db和筋材強度ffuv作為影響因素。

(1)

式中：ffb為筋材彎折段強度；δ為安全系數，日本采用的安全系數為1.3，美國為1.0，加拿大為1.5。

各國規范中FRP箍筋彎曲強度計算方法的計算結果見表4。由表4可知：各國規范均高估了筋材彎折強度，其中加拿大規范的計算結果與試驗結果較接近。這是由于FRP彎折部分破壞機理并不清晰，未考慮彎折角在實際破壞過程中的基體應力集中。因此，需對計算方法進行修正。經過分析，選擇安全系數為1.9能較準確地預測GFRP筋彎折角強度。

表4 各國規范中FRP箍筋彎曲強度計算方法的計算結果對比

圖8 筋材強度與筋材有效面積隨角度的變化

圖9 試驗結果與模型預測結果對比

(2)

ΔAe(θ)=0.000 1θ3-0.019 4θ2+0.852 6θ

(3)

(4)

σe(θ)=Ae(θ)σini

(5)

基于GFRP筋材折角處有效面積，分析折角處筋材破壞機理。GFRP折角筋加工過程中，首先進行筋材浸膠成型，然后根據角度需求進行彎折，造成筋材折角內側纖維褶皺松弛。筋材在砼中受力時，兩方面原因造成筋材強度降低，一是GFRP筋折角內側纖維褶皺松弛，內折角受力主要由基體承擔；二是折角內側應力集中，受力時容易開裂。這2個原因相互促進，造成帶折角筋材強度顯著降低。根據GFRP筋破壞機理建立GFRP折角筋強度預測模型，對比預測結果與試驗結果，該模型能準確預測不同角度GFRP筋的強度。

5 結論

針對GFRP筋，采用靜力加載，研究不同折角GFRP筋的強度，分析GFRP筋折角處破壞機理，建立不同折角GFRP筋強度預測模型。結論如下：1)由于GFRP筋彎折角內側應力集中，GFRP筋彎折角度對筋材強度影響明顯。相比于GFRP直筋強度，30°、60°和90°折角筋強度分別降低40.3%、56.1%和75.5%。2)GFRP筋折角破壞時，內側基體首先開裂，該位置處纖維的參與受拉程度較低，會出現折角內側纖維整體斷裂現象，且折角內側整體斷裂程度與筋材角度有關，筋材角度增加，則斷裂深度增加。之后外側基體與纖維協同受力，最終斷裂。3)折角筋實際受力的有效面積與筋材強度相關，基于筋材有效受力面積建立GFRP筋彎折強度預測模型，對比試驗結果，該模型能準確預測不同彎折角度GFRP筋的強度。

文中研究針對玻璃纖維筋，后期需對不同彎折角度對玄武巖纖維和碳纖維筋的強度影響進行分析，研究不同纖維對彎折強度的影響。