趙軍，吳浩，孫宏賢，張飛

（1.鄭州大學力學與工程科學學院，河南鄭州 450001；2.機械工業(yè)第六設計研究院有限公司，河南鄭州 450007；3.云南云嶺高速公路交通科技有限公司，云南昆明 650000）

GFRP筋混凝土板正截面疲勞性能試驗研究

趙軍1，吳浩2，孫宏賢3，張飛1

（1.鄭州大學力學與工程科學學院，河南鄭州 450001；2.機械工業(yè)第六設計研究院有限公司，河南鄭州 450007；3.云南云嶺高速公路交通科技有限公司，云南昆明 650000）

通過玻璃纖維聚合物（GFRP）筋混凝土板的疲勞試驗，分析了疲勞循環(huán)次數(shù)對GFRP筋混凝土板剩余承載力、跨中撓度、GFRP筋應變、混凝土應變和裂縫的開展等的影響．試驗結果表明，在疲勞荷載作用下，隨著疲勞循環(huán)次數(shù)的增加，疲勞上限荷載對應的試件的跨中撓度不斷增大，GFRP筋應變和受壓區(qū)混凝土應變也大幅度增加，裂縫寬度顯著變大．200萬次疲勞循環(huán)后，試件的剩余承載力約為靜力荷載作用下試件承載力的67%．

板；GFRP筋；撓度；應變；疲勞循環(huán)次數(shù)；剩余承載力

0 引言

鋼筋混凝土結構長期暴露在侵蝕性環(huán)境中，混凝土的PH值以每年10%的速度減小[1]．同時，鋼筋混凝土結構大都處于帶縫工作狀態(tài)，致使鋼筋很容易發(fā)生銹蝕．隨著使用年限的不斷增加，受侵蝕嚴重的外層混凝土保護層脫落導致內(nèi)部鋼筋外露，鋼筋的銹蝕率會越來越大，當銹蝕到一定程度時會嚴重影響混凝土與鋼筋的粘結，兩者的整體工作性能削弱，嚴重影響結構的承載力和正常使用性能，使結構的使用壽命大幅度降低[]．

為了解決混凝土結構中鋼筋銹蝕的問題，工程領域和很多科研機構致力于該問題的解決方法，如陰極保護法、采用聚合物混凝土、鍍鋅鋼筋等，然而在不同的環(huán)境條件下，這些方法并未總能起到很好的效果．如何從根本上解決混凝土結構中鋼筋的銹蝕難題，降低維修的巨額費用，延長結構壽命，國內(nèi)外許多專家學者不斷嘗試新型材料和新型結構體系．經(jīng)過多年的研究與分析，發(fā)現(xiàn)用纖維增強聚合物（fiberreinforcedpolymer,簡稱FRP）筋來代替鋼筋是解決銹蝕問題的最佳方法之一[4]．

FRP筋是以連續(xù)纖維為增強相，聚合物樹脂為基體相，按照一定的比例混合同時添加一些輔助材料（如促進劑等），通過復合工藝組合而成的一種新型復合材料．與普通筋材相比，F(xiàn)RP筋具有輕質(zhì)、抗拉強度高、抗腐蝕性能好、電磁絕緣性能好、熱膨脹系數(shù)與混凝土相近等優(yōu)點，作為鋼筋的一種替代材料，正越來越廣泛地應用于道路、橋梁、海洋、近海以及水下混凝土結構中[5]．

當采用玻璃纖維作為增強相時，可以得到玻璃纖維增強聚合物（GFRP）筋．由于其價格比較低廉，國內(nèi)外對GFRP筋的研究和應用成果比較多，但是關于GFRP筋混凝土構件的疲勞性能方面的研究較少．為了推動GFRP筋在承受動荷載作用下混凝土結構中的應用，本文進行了GFRP筋混凝土板在疲勞荷載作用下的力學性能試驗，研究了GFRP筋混凝土板在疲勞荷載作用下?lián)隙取⒒炷翍?、GFRP筋應變和裂縫等隨著疲勞循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律．

圖1 試件的尺寸及配筋圖Fig.1Dimension and reinforcement chart of specimens

1 試驗概況

1.1 試件設計

試件截面尺寸長×寬×高為1 600 mm× 450 mm×100 mm，混凝土強度等級為C35，板底縱向受力鋼筋為5根直徑為12 mm的GFRP筋，橫向分布筋為10根直徑為10 mm的GFRP筋．試件的外觀尺寸與配筋及相關設計參數(shù)如圖1所示．

1.2 測試內(nèi)容

試驗中主要測試試件的正截面疲勞強度、跨中截面處的GFRP筋應變、跨中截面處的板底和板頂?shù)幕炷翍兒涂缰袚隙?，并記錄了試件板底裂縫的開展和裂縫寬度．

1.3 材料性能

試驗所用的筋材為GFRP筋，縱向受拉筋采用5根GFRP筋，直徑12 mm，長度為1 570 mm；分布鋼筋采用10根GFRP筋，直徑為10mm，長度為420mm．直徑12 mm的GFRP筋抗拉強度為614.5 MPa，彈性模量為48.5GPa；直徑10mm的GFRP筋抗拉強度為481.2MPa，彈性模量為42.5GPa．混凝土強度等級為C35，實測混凝土立方體抗壓強度平均值fcu=46.8 MPa，軸心抗壓強度平均值fc=39.6 MPa，彈性模量Ec=31 600 MPa．

1.4 試驗裝置和加載方案

采用跨中單點加載方式，疲勞荷載最大值為15 kN，最小值為9kN．根據(jù)混凝土結構試驗方法標準[6]，疲勞試驗進行之前先進行預加載，施加荷載至疲勞試驗上限荷載值的20%，前后進行兩次加卸載，以確保試驗裝置各部分連接良好．當荷載循環(huán)至1萬、5萬、10萬、20萬、50萬、100萬、200萬次時，停機進行一次加載至疲勞上限的靜載試驗，量測試件跨中撓度、混凝土和GFRP筋的應變及裂縫發(fā)展情況．

本試驗疲勞荷載循環(huán)次數(shù)以200萬次為無窮大,當荷載循環(huán)200萬次內(nèi)試件發(fā)生疲勞破壞特征時，停止試驗記錄荷載循環(huán)次數(shù)、破壞特征等；如若200萬次內(nèi)試件并沒有發(fā)生疲勞破壞，則進行靜力分級加載直至破壞．

2 試驗結果分析

根據(jù)試驗中的實測數(shù)據(jù)和裂縫記錄，下面分別對試件在疲勞荷載作用下的剩余承載力、跨中撓度、GFRP筋應變、受壓區(qū)混凝土應變和裂縫進行分析．

2.1 剩余承載力

當疲勞循環(huán)次數(shù)達到200萬次后，試件沒有發(fā)生疲勞破壞，隨后進行靜力加載至破壞，試件靜載破壞試驗得到的荷載-跨中撓度曲線和未經(jīng)歷疲勞荷載試件的靜載試驗荷載-撓度曲線如圖2所示．

由圖2可以看出，試件在疲勞荷載上限15kN作用下，經(jīng)過200萬次循環(huán)次數(shù)后，試件的剩余承載力和極限位移約為未經(jīng)歷疲勞荷載試件靜力承載力的67%和75%．說明經(jīng)過疲勞荷載循環(huán)后，試件的承載能力和變形能力都有所下降．本文研究的GFRP筋混凝土板，在疲勞下限9kN、疲勞上限15kN作用下，經(jīng)過200萬次疲勞循環(huán)次數(shù)后未發(fā)生疲勞破壞，仍滿足使用要求．

2.2 跨中撓度

試件在各疲勞循環(huán)次數(shù)結束后進行靜載試驗得到的荷載-跨中撓度曲線如圖3所示．由圖可以看出，試件在應力水平15 kN作用下，從0次靜載到最終200萬次后的靜載試驗，荷載-撓度曲線出現(xiàn)了明顯的變化．隨著疲勞循環(huán)次數(shù)的增加，循環(huán)后靜載試驗的荷載-撓度曲線斜率逐漸降低，曲線的拐點也逐漸減小，說明由于疲勞荷載作用，板混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的損傷在逐步積累，而且宏觀裂縫也在發(fā)展，荷載循環(huán)次數(shù)越多，損傷的累積程度越大，導致板的抗彎剛度逐漸下降，疲勞上限荷載對應的撓度也明顯增大．疲勞循環(huán)200萬次后的跨中撓度達到了3.04 mm，是未經(jīng)歷疲勞荷載的板相應撓度的1.71倍，但是可滿足板的正常使用要求．

2.3 跨中截面GFRP筋應變

試件跨中GFRP筋應變隨疲勞次數(shù)的變化如圖4所示，從圖中可以看出，GFRP筋應變隨疲勞循環(huán)次數(shù)的增加基本上呈線性增長．疲勞循環(huán)1萬次時GFRP筋應變?yōu)?17.8，20萬次GFRP筋應變?yōu)?26.3，50萬次GFRP筋應變?yōu)?59.8，100萬次時GFRP筋應變?yōu)?52.3，200萬次循環(huán)結束后GFRP筋應變達到1000，為1萬次時筋應變的1.62倍．靜載試件在疲勞上限荷載作用下對應的GFRP筋應變?yōu)?82，與各循環(huán)次數(shù)后GFRP筋的應變比較發(fā)現(xiàn)，1萬次后GFRP筋應變值略低于靜載試件下對應的應變值，之后隨著疲勞循環(huán)次數(shù)的增加，GFRP筋應變逐步增大．與1萬次后GFRP筋應變相比，20萬次、50萬次、100萬次、200萬次的GFRP筋應變分別增長了17.6%、23.0%、38.0%、61.9%．

圖2 靜載和200萬次疲勞循環(huán)后荷載-跨中撓度曲線Fig.2Load-midspan deflection curve after static load and fatigue load of 2 million cycles

圖3 各循環(huán)次數(shù)靜載試驗曲線Fig.3Test curve at static load after each cycle

2.4 受壓區(qū)混凝土應變

受壓區(qū)混凝土最大應變隨疲勞循環(huán)次數(shù)的變化如圖5所示，從圖中可以看出受壓區(qū)混凝土最大應變在20萬次范圍內(nèi)有較小的波動，之后隨著循環(huán)次數(shù)的增加，受壓區(qū)混凝土的應變基本上呈線性增長，受壓區(qū)混凝土最大應變?yōu)?34.5．疲勞循環(huán)1萬次時壓區(qū)混凝土應變?yōu)?87.0，20萬次時應變?yōu)?32，50萬次混凝土應變?yōu)?43.0，100萬次時應變?yōu)?65.5，200萬次循環(huán)結束后壓區(qū)混凝土的應變達到334.5，為1萬次時筋應變的1.79倍．在試驗中觀察發(fā)現(xiàn)，隨著循環(huán)次數(shù)的增大，板側面裂縫逐步向板頂擴展，此時中和軸高度向上移動，受壓邊緣混凝土應變逐漸增大．靜載試件在疲勞上限荷載作用下對應的壓區(qū)混凝土應變?yōu)?92.5，與各循環(huán)次數(shù)后壓區(qū)混凝土應變比較發(fā)現(xiàn)，1萬次后壓區(qū)混凝土應變值略低于靜載試件下對應的應變值，之后隨著疲勞循環(huán)次數(shù)的增加，壓區(qū)混凝土應變逐步增大．與1萬次后壓區(qū)混凝土應變值相比，20萬次、50萬次、100萬次、200萬次的壓區(qū)混凝土應變分別增長了24.1%、29.9%、42.0%、78.9%．

圖4 跨中GFRP筋應變隨疲勞循環(huán)次數(shù)的變化Fig.4Relationship of GFRP bars strains and fatigue cycles

圖5 試件受壓區(qū)混凝土應變隨疲勞次數(shù)的變化Fig.5Relation of concrete strains at compressive zone and fatigue cycles

2.5 裂縫的發(fā)展與開展

在試驗過程中，1萬次范圍內(nèi)共出現(xiàn)了3條裂縫，之后沒有新裂縫出現(xiàn)，原有裂縫不斷延伸，裂縫寬度逐漸增大．200萬次循環(huán)結束后，最大裂縫寬度約為0.40 mm．試件在疲勞荷載上限15 kN作用下最大裂縫寬度如表1所示．對于同樣的疲勞荷載作用下，最大裂縫寬度受荷載循環(huán)次數(shù)的影響比較顯著，且隨著循環(huán)次數(shù)的增加，最大裂縫寬度逐漸增大．200萬次循環(huán)結束后，最大裂縫寬度是0萬次對應最大裂縫寬度的6.7倍．由此可見，疲勞荷載對裂縫的開展也產(chǎn)生了累積損傷作用，致使在構件承受同樣荷載的情況下，裂縫兩端的混凝土進一步松弛，最大裂縫寬度顯著變寬．

表1 疲勞荷載作用下試件的最大裂縫寬度mmTab.1Maximum crack width of specimens after fatigue load

200萬次疲勞試驗結束后，試件靜載破壞試驗得到的最大裂縫寬度如表2所示．從表中可以看出，當荷載比較小時，最大裂縫寬度已經(jīng)達到0.24mm．之后再增加荷載，在較小的荷載增量時，最大裂縫寬度的增加非常明顯．最后由于板底裂縫迅速向加載點處截面受壓區(qū)發(fā)展，縱向受力筋的斷裂而使試件破壞．

表2 試件靜載破壞試驗最大裂縫寬度mmTab.2Maximum crack widths under static load

3 結論

經(jīng)過本文關于GFRP筋混凝土板在疲勞荷載下的受力性能試驗研究，結果表明，疲勞荷載對GFRP筋混凝土板的受力性能影響比較顯著，可以得出以下主要結論：

1）對于本文研究的GFRP筋混凝土板，在200萬次疲勞荷載作用后，沒有發(fā)生疲勞破壞，但其剩余承載力僅為經(jīng)歷疲勞荷載之前板承載力的67%；

2）疲勞荷載作用后疲勞上限荷載對應的跨中撓度隨著疲勞循環(huán)次數(shù)的增加而增大，當疲勞荷載循環(huán)次數(shù)達到200萬次后，疲勞上限荷載對應的跨中撓度比0萬次的對應值增加了70%；

3）在疲勞荷載作用下，隨著疲勞循環(huán)次數(shù)的增加，疲勞上限荷載對應的GFRP筋和受壓區(qū)混凝土的應變基本呈線性增大．與1萬次疲勞循環(huán)相比，200萬次循環(huán)后板在疲勞上限荷載作用下GFRP筋和受壓區(qū)混凝土的應變分別增加了61.9%和78.9%；

4）疲勞荷載對裂縫的發(fā)生與發(fā)展影響比較明顯，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，最大裂縫寬度逐漸增大．200萬次循環(huán)結束后，最大裂縫寬度是0萬次對應最大裂縫寬度的6.7倍，而且在較小的荷載下，裂縫寬度就已經(jīng)接近正常使用限值．

[1]Chaallal O，Brahim B．Fiber-reinforced plastic rebars for concrete applications[J]．Composites：Part B，1996（27B）：245-252．

[2]高丹盈，李趁趁，朱海堂．纖維增強塑料筋的性能與發(fā)展[J]．纖維復合材料，2002（4）：37-40．

[3]高向鈴．鋼筋混凝土粘結錨固的研究進展[J]．結構工程師，2001（2）：29-33．

[4]BrahimBenmokrane，EhabEl-Salakawy，AmrEl-Ragaby．DesigningandtestingofconcretebridgedecksreinforcedwithglassFRPbars[J]．Journal of bridge engineering，2006（11）：217-229．

[5]中國冶金建設協(xié)會．GB 50608-2010，纖維增強復合材料建設工程應用技術規(guī)程[S]．北京：中國計劃出版社，2011．

[6]GB/T 50152-2012，混凝土結構試驗方法標準[S]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012．

[責任編輯 楊屹]

Experimental study on fatigue behavior of concrete slabs reinforced with glass fiber reinforced polymer(GFRP)bars

ZHAO Jun1，WU Hao2，SUN Hongxian3，ZHANG Fei1

(1.College of Mechanical and Engineering Science,Zhengzhou University,Henan Zhengzhou 450001,China;2.SIPPR Engineering Group Co Ltd,Henan Zhengzhou 450007,China;3.Yunnan Yunling expressway traffic science and technology Ltd,Yunnan Kunming 650000,China)

Based on the fatigue test of GFRP bars reinforced concrete slabs,the effects of the fatigue cycles on residual load-carrying capacity,deflection at mid-span,GFRP bar strain,compressive concrete strain and development of cracks were analyzed.Test results indicate thatunderfatigueloads,with theincreasingoffatiguecycles,the mid-spandeflection, GFRPbarstrain andcompressiveconcretestrainofthespecimencorresponding to theupperload increase,the crackwidths increaseobviously.After thefatiguecycles of2 millions,the residual load-carrying capacityis as lowas 67%that of specimen under static load.

slab;glass fiberreinforced polymer(GFRP)bars;deflection;strains;fatiguecycles;residualload-carrying capacity

TU528.572

A

1007-2373(2015)05-0115-04

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.05.024

2014-09-17

高等學校博士學科點專項科研基金（20124101110014）；河南省高?？萍紕?chuàng)新團隊支持計劃（15IRTSTHN026）

趙軍（1971-），男（漢族），教授，博士，zhaoj@zzu.edu.cn．