楊健彬 周日瑜 鄭愚

(東莞理工學(xué)院 建筑工程系，廣東東莞 523808)

一般情況下，在堿性 (澆筑初期pH=13)的混凝土包裹下，鋼筋不易腐蝕，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有一定的耐久性。而長(zhǎng)期暴露在侵蝕性環(huán)境下的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu) (例如用除冰劑處理過的路橋、海邊建筑物、化工污水處理廠、鹽漬地區(qū)的地下結(jié)構(gòu)等)，隨著混凝土的pH值逐漸上升和微裂縫的發(fā)展甚至混凝土的開裂和剝落，結(jié)構(gòu)中鋼筋漸漸銹蝕，影響了結(jié)構(gòu)的使用性能，降低了結(jié)構(gòu)的耐久性，帶來極大的安全隱患［1］。為了解決建筑、橋梁結(jié)構(gòu)的鋼筋腐蝕和耐久性問題，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 (fibre－reinforced polymer，F(xiàn)RP)在近年來得到越來越廣泛的應(yīng)用［2］。玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合筋材 (GFRP Rebars)高強(qiáng)、質(zhì)輕、不銹蝕［3］。在混凝土構(gòu)件中，混凝土壓碎破壞要比GFRP筋拉斷破壞具有更好的延性?，F(xiàn)行的GFRP筋混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范通過增加受拉區(qū)的配筋率來保證受壓區(qū)混凝土的破壞發(fā)生在筋材斷裂之前［4］。因此，按現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，支撐梁構(gòu)件內(nèi)的GFRP筋配筋率過高，導(dǎo)致了建造成本較高。

在前期對(duì)GFRP筋纖維混凝土受彎構(gòu)件試驗(yàn)的研究中發(fā)現(xiàn)，混凝土材料本身特性無法有效改善GFRP筋混凝土結(jié)構(gòu)的延性［5］，而纖維混凝土的使用能夠較有效提高GFRP筋混凝土受彎構(gòu)件的變形能力和延性并能有效控制微裂縫的開展。研究表明，GFRP筋混凝土構(gòu)件破壞預(yù)兆較小，但破壞緩慢發(fā)生，具有相當(dāng)?shù)难有?。同時(shí)，GFRP管混凝土具有三大優(yōu)點(diǎn):①保護(hù)鋼筋和混凝土，提高結(jié)構(gòu)的耐久性;②作為核心混凝土縱橫向加強(qiáng)材料提高構(gòu)件的承載力;③作混凝土的永久性模板［6］。因此，將GFRP管外包在GFRP筋混凝土支撐梁結(jié)構(gòu)中，不僅可以有效提高GFRP筋混凝土支撐梁結(jié)構(gòu)的承載能力和延性，而且施工方便、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。

為了研究GFRP管對(duì)GFRP筋混凝土受彎構(gòu)件結(jié)構(gòu)性能，本研究對(duì)該結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行四點(diǎn)抗彎靜力加載試驗(yàn)。研究中分析GFRP管對(duì)該GFRP筋混凝土受彎構(gòu)件延性及變形能力、承載性能的影響，并討論纖維增強(qiáng)復(fù)合材料建設(shè)工程應(yīng)用技術(shù)規(guī)范中關(guān)于采用GFRP筋作為箍筋的混凝土構(gòu)件的斜截面受剪承載力的方法的合理性。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)共制作六根GFRP筋混凝土受彎構(gòu)件模型，并在跨中對(duì)其進(jìn)行靜力加載至破壞，如圖1所示。如表1所示，所有混凝土梁截面形式均為寬度200 mm，高度300 mm，梁長(zhǎng)度為2 000 mm，凈跨控制在1 480 mm。為了保證GFRP管與混凝土梁協(xié)同工作性能，GFRP管采用柱澆筑混凝土的方法，同時(shí)，考慮到GFRP管的剛度不大，需要進(jìn)行側(cè)模加固，如圖2所示。本次試驗(yàn)研究重點(diǎn)分析GFRP外包管及GFRP配筋率對(duì)該水平構(gòu)件承載性能和變形能力的影響，因此試驗(yàn)中所改變結(jié)構(gòu)參數(shù)為配筋率和GFRP外包管設(shè)置與否，如表1所示。

如圖1所示，五個(gè)機(jī)械百分表測(cè)量受彎構(gòu)件的變形，其中兩個(gè)設(shè)置在板底跨中處 (跨中位移讀數(shù)為兩表平均值)，四分之一凈跨及兩端支座各設(shè)置一個(gè)，采用人工讀數(shù)?；炷梁徒畈牡膽?yīng)變均采用電阻應(yīng)變片、靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀及配套電腦軟件進(jìn)行采集。裂縫寬度使用裂縫讀數(shù)器由人工測(cè)讀。

表1 梁模型參數(shù)

圖1 結(jié)構(gòu)試驗(yàn)基本模型

圖2 GFRP管加固形式

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 開裂模式及破壞模式

所有試驗(yàn)?zāi)Ｐ烷_裂形態(tài)如圖3所示。無GFRP管約束的試件，隨著配筋率的提高，GFRP筋混凝土延性更優(yōu)，裂縫寬度更小，如圖4所示。有GFRP管約束的試件，與無GFRP管的試件相比，隨著配筋率的提高，GFRP混凝土梁的延性和裂縫寬度變化不大。

靜力加載到GFRP管外包GFRP筋混凝土梁2/3極限承載力時(shí)，梁底部的GFRP管有被拉裂跡象，發(fā)出纖維拉斷的聲音，而混凝土并未發(fā)生破壞。如圖5所示。這表明GFRP管有效解決GFRP筋混凝土梁脆性破壞的問題。

2.2 荷載位移曲線

在GFRP管外包GFRP筋混凝土梁靜力加載過程中，GFRP管在支座處會(huì)被壓縮破壞，如圖6所示。通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量可知支座處GFRP管被壓縮4 mm，修正后可得荷載位移曲線，如圖7所示。C2試件由于機(jī)械百分表故障，無法測(cè)得其跨中位移數(shù)據(jù)。

由圖7可知，在同一種配筋率的情況下，GFRP管較有效提高GFRP筋混凝土受彎構(gòu)件的變形能力。GFRP管外包在混凝土梁表面，梁截面高度和寬度略微增大，GFRP筋混凝土梁的豎向剛度有一定的增

加，但是由于GFRP管彈性模量較低，梁變形能力略有提高。

圖4 裂縫寬度

圖5 GFRP管破壞現(xiàn)象

圖6 GFRP管壓縮破壞

圖7 荷載位移曲線

2.3 承載力

如表2所示，隨著配筋率增大，GFRP管外包GFRP筋混凝土梁和GFRP筋混凝土梁的承載力均有所提高，而GFRP管外包GFRP筋混凝土梁承載力提高更為明顯。這表明GFRP外包管能有效提高GFRP筋混凝土梁的極限承載能力。在GFRP筋混凝土梁的受壓區(qū)，GFRP管對(duì)混凝土有約束的作用，混凝土的抗壓強(qiáng)度有所提高。在受拉區(qū)，GFRP管作為受拉構(gòu)件，有效提高了梁的正截面承載能力。同時(shí)，GFRP管作為受剪構(gòu)件，一定程度上提高梁的斜截面承載能力。

表2 極限承載力

利用我國(guó)現(xiàn)行的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料建設(shè)工程應(yīng)用技術(shù)規(guī)范計(jì)算配筋率1.08%、1.62%和2.33%沒有GFRP管的GFRP筋混凝土受彎構(gòu)件的承載力。計(jì)算承載力結(jié)果和試驗(yàn)承載力結(jié)果如表3所示:

如表3所示，通過理論計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知，我國(guó)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料建設(shè)工程應(yīng)用技術(shù)規(guī)范對(duì)于計(jì)算采用GFRP筋作為箍筋的混凝土構(gòu)件的斜截面受剪承載力的方法過于保守。

表3 理論計(jì)算承載力和試驗(yàn)承載力

3 結(jié)語

本次研究通過GFRP管外包GFRP筋混凝土受彎構(gòu)件的工作性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論:

1)配筋率增大，GFRP筋混凝土梁的裂縫寬度減小，而GFRP外包管約束作用，一定程度上避免GFRP筋混凝土梁發(fā)生脆性破壞。

2)GFRP管的彈性模量低，對(duì)提高GFRP筋混凝土梁剛度的貢獻(xiàn)不大，并不能有效降低GFRP筋混凝土梁的撓度。

3)GFRP外包管的使用，對(duì)提高GFRP筋混凝土梁的承載能力有顯著影響，配筋率越高，承載能力提高越明顯 (本次研究最多能提高48.7%)。

4)現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)于GFRP筋混凝土構(gòu)件斜截面抗剪承載力的計(jì)算過于保守，導(dǎo)致配筋率過高。

5)GFRP管外包裝置的使用能在一定程度上提高了傳統(tǒng)GFRP筋延性差，解決低配筋率結(jié)構(gòu)破壞突然的問題。FPR外包管可作為施工模板使用，提高施工效率。

［1］鄭喬文．FRP筋混凝土梁設(shè)計(jì)理論研究［D］．上海:同濟(jì)大學(xué)，2006:1－2．

［2］梅葵花．FRP筋的特點(diǎn)及在橋梁工程中的應(yīng)用［J］．公路，2007(7):12－15．

［3］王全鳳．FRP復(fù)合材料及其在土木工程中的應(yīng)用研究［J］．華僑大學(xué)學(xué)報(bào)，2005(1):1－2．

［4］熊明權(quán)，邱振清，鄭愚，等．FRP筋纖維混凝土受彎構(gòu)件試驗(yàn)研究［J］．東莞理工學(xué)報(bào)，2013，20(5):91－96．

［5］鄭愚，李春紅，秦懷泉．對(duì)GFRP筋混凝土橋面板中壓縮薄膜效應(yīng)的研究［J］．世界橋梁，2011(1):59－64．

［6］李杰，薛元德．FRP管混凝土組合結(jié)構(gòu)理論研究［J］．玻璃鋼/復(fù)合材料，2005(6):7－9．