王 冰 李竹青

(1.濟(jì)南軍區(qū)善后辦綜合局，山東 濟(jì)南 250022； 2.洛陽(yáng)市規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 洛陽(yáng) 471000)

1 概述

從材料科學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)來講，采用組合結(jié)構(gòu)是提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件力學(xué)性能的有效途徑。大量試驗(yàn)研究表明，GFRP—混凝土組合結(jié)構(gòu)具有自重輕、耐久性好及承載力高等優(yōu)良性能，該組合結(jié)構(gòu)在工程實(shí)踐中已得到了較多應(yīng)用。胡瑞，汪劍輝，顔海春等[1]對(duì)GFRP桿進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)抗壓性能和沖擊性能試驗(yàn)，得到的GFRP材料的動(dòng)力提高系數(shù)高達(dá)1.58。吳慶鋒，劉華新[2]開展的BFRP筋再生混凝土梁撓度試驗(yàn)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(duì)GFRP筋與再生混凝土粘結(jié)性能的試驗(yàn)研究得出，由于剪力滯后的影響平均粘結(jié)強(qiáng)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(jié)構(gòu)，為海砂混凝土與FRP在工程中的應(yīng)用提供了新思路。李耘宇，王言磊，歐進(jìn)萍[5]提出了一種新型GFRP/鋼—混凝土組合梁，研究了復(fù)合鋼板對(duì)GFRP—混凝土組合梁性能的影響，結(jié)果表明，復(fù)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(jié)構(gòu)中的FRP材料與混凝土具有極強(qiáng)的互補(bǔ)性，二者組合能夠揚(yáng)長(zhǎng)避短，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，可最大限度地發(fā)揮兩種材料的優(yōu)勢(shì)。因此，既要充分利用FRP材料的優(yōu)良性能，同時(shí)又要滿足兩者之間的變形協(xié)調(diào)，是該組合結(jié)構(gòu)需要解決的問題。鑒于此，本試驗(yàn)結(jié)合課題“纖維增強(qiáng)復(fù)合材料人防工程防護(hù)門研制”中的研究?jī)?nèi)容，以研制的防護(hù)門的尺寸設(shè)計(jì)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(duì)其進(jìn)行了相關(guān)力學(xué)性能試驗(yàn)研究。

2 試驗(yàn)概況

2.1 組合梁有關(guān)參數(shù)

本試驗(yàn)是“纖維增強(qiáng)材料人防工程防護(hù)門研制”課題的靜力性能試驗(yàn)部分，所研制的防護(hù)門尺寸為：長(zhǎng)×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(yàn)時(shí)間與節(jié)約經(jīng)費(fèi)，將門板簡(jiǎn)化為梁進(jìn)行試驗(yàn)。除寬度外，梁的尺寸設(shè)計(jì)、受力筋配置及混凝土強(qiáng)度等與防護(hù)門的一致。采用五分點(diǎn)加載以模擬防護(hù)門承受的沖擊波均布等效荷載。

1)尺寸：長(zhǎng)×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(jí)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(qiáng)度等級(jí)C40，箍筋Φ8@100；第二組，梁4～梁6，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C50，箍筋Φ8@150；第三組，梁7～梁9，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C60，箍筋Φ8@200。試驗(yàn)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(qiáng)度/MPa抗壓強(qiáng)度/MPa彈性模量/GPaGFRP80353028.2鋼筋Ⅰ級(jí)221221213.3Ⅱ級(jí)325325202.5混凝土C4042.233.5C5052.935.5C6064.236.5

2.2 加載與量測(cè)

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

2)量測(cè)：a.應(yīng)變：共布置6個(gè)應(yīng)變點(diǎn)測(cè)量GFRP型材應(yīng)變，梁上表面跨中布置1個(gè)受壓測(cè)點(diǎn)，梁下表面均布5個(gè)受拉測(cè)點(diǎn)；b.跨中位移：梁下部跨中及兩側(cè)各500 mm處共布置3個(gè)位移測(cè)點(diǎn)。

3 試驗(yàn)結(jié)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(qiáng)度的耗盡而GFRP型材受拉變形較大引起的?；炷潦菑椝苄圆牧?，其抗拉強(qiáng)度約為抗壓強(qiáng)度的1/10，在較小的拉伸變形下即出現(xiàn)裂縫，當(dāng)應(yīng)力超過一定限度時(shí)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(yàn)梁的局部破壞圖。試驗(yàn)過程中，當(dāng)加載至20 kN時(shí)開始出現(xiàn)初始裂縫；加載至60 kN時(shí)，豎向裂縫向上擴(kuò)展至梁高的1/2，這時(shí)主要為豎向裂縫，基本沒有斜裂縫出現(xiàn)；加載至90 kN時(shí)，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(shí)，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(shí)，裂縫快速增長(zhǎng)，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(shí)承載力不再增加，梁達(dá)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(yàn)結(jié)果曲線

圖2為試驗(yàn)結(jié)果曲線。

3.3 試驗(yàn)結(jié)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(guān)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(yīng)變之間也呈現(xiàn)類似變化趨勢(shì)，如圖2b)，圖2c)所示。2)混凝土強(qiáng)度等級(jí)的影響：混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)梁的極限承載力影響不明顯。梁1～梁3的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，平均極限承載力為117.5 kN；梁4～梁6的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50，平均極限承載力為115.0 kN，梁7～梁9混凝土強(qiáng)度等級(jí)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(duì)梁的承載力影響不明顯，同強(qiáng)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(duì)梁的破壞形態(tài)有明顯影響。當(dāng)箍筋間距為100 mm時(shí)，主要是垂直裂縫，基本沒有斜裂縫出現(xiàn)。當(dāng)箍筋間距為200 mm時(shí)，梁支承處出現(xiàn)斜向裂縫。至接近極限荷載時(shí)，梁下部或支座附近會(huì)出現(xiàn)明顯的水平滑移裂縫。4)GFRP型材與混凝土的粘結(jié)性能：當(dāng)加載至約100 kN時(shí)，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(shí)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(jié)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(fù)情況：梁混凝土上表面發(fā)生剝離時(shí)，跨中撓度均值為7.61 mm，遠(yuǎn)小于規(guī)范對(duì)混凝土構(gòu)件撓度變形的允許值L/200=12.5 mm；達(dá)到極限荷載時(shí)，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(fù)，僅有少量的殘余變形，表明連續(xù)加載和快速卸載時(shí)，GFRP混凝土梁具有很好的變形恢復(fù)能力。與鋼筋混凝土適筋梁的受力性能相對(duì)比，之所以出現(xiàn)2)，3)項(xiàng)的試驗(yàn)結(jié)果，是因?yàn)镚FRP型材抗拉強(qiáng)度較高，而當(dāng)試驗(yàn)梁破壞時(shí)型材尚未達(dá)到屈服極限有關(guān)?？梢酝ㄟ^提高壓區(qū)混凝土強(qiáng)度或增加壓區(qū)配筋的方法優(yōu)化組合結(jié)構(gòu)的受力性能。

4 結(jié)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(guān)系，荷載加至大于60 kN時(shí)，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(jié)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(qiáng)度的發(fā)揮，也提高了混凝土的性能。3)混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)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(duì)梁的極限承載力影響較小，同強(qiáng)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(duì)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(dāng)組合梁達(dá)到極限荷載時(shí)，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(fù)能力；達(dá)到極限荷載時(shí)，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(qiáng)度或增加壓區(qū)配筋的措施。