文/謝濤 廣西建工集團(tuán)基礎(chǔ)建設(shè)有限公司 廣西南寧 530000

1、引言

玻璃纖維(GFRP)筋具有耐腐蝕、強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、耐電磁、易切割等優(yōu)點(diǎn)，是一種既能防腐又有良好力學(xué)性能的混凝土增強(qiáng)材料，已廣泛用于工程結(jié)構(gòu)建設(shè)。GFRP 筋材主要優(yōu)點(diǎn)是制造成本低，同時(shí)強(qiáng)度高、絕緣性能好。不僅可用于腐蝕嚴(yán)重的環(huán)境中，提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。

針對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的圓形GFRP 筋混凝土圓截面支護(hù)樁基本力學(xué)性能研究較少，本文開(kāi)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(yīng)力應(yīng)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(guān)系、應(yīng)力應(yīng)變分布、裂縫分布、極限承載力和破壞形式等，為進(jìn)一步在基坑支護(hù)等工程中開(kāi)展應(yīng)用提供了試驗(yàn)參考。

2、試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)概況

本文根據(jù)工程中比較常用的GFRP 筋混凝土圓截面支護(hù)樁尺寸選擇試驗(yàn)梁尺寸，并根據(jù)相關(guān)理論對(duì)模型量的彎矩極限值、最大剪力進(jìn)行計(jì)算，試驗(yàn)制作試驗(yàn)梁1#、2#、3#進(jìn)行平行試驗(yàn)，梁長(zhǎng)6 米，截面直徑800 毫米，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30，配筋主筋采用12φ20 GRRP 筋，配筋率1.33%，箍筋采用R235 級(jí)直徑10mm的鋼筋，混凝土保護(hù)層厚度50mm，預(yù)估彎矩極限值256 kN·m，預(yù)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(gòu)件預(yù)估彎矩極限值719kN.m，推算單個(gè)反力架拉力為287.6kN，因此試驗(yàn)中采用了50t 的反力架兩個(gè)，大行程加載千斤頂，可滿(mǎn)足試驗(yàn)要求。室內(nèi)試驗(yàn)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(yàn)前根據(jù)截面的尺寸定做了鋼支座和加載箱。此外，在加載過(guò)程中，結(jié)合各梁的截面尺寸、長(zhǎng)度和對(duì)加載設(shè)備的要求，在上述加載圖式基礎(chǔ)上，對(duì)不同截面梁的支撐位置、加載位置進(jìn)行了微調(diào)，計(jì)算結(jié)果基于微調(diào)后的加載參數(shù)，對(duì)加筋梁性能分析無(wú)影響。

2.3 傳感器布置及試驗(yàn)儀器

2.3.1 傳感器斷面布置

試驗(yàn)主要采集的數(shù)據(jù)包括荷載大小、應(yīng)變分布和結(jié)構(gòu)變形，相應(yīng)的傳感器分別為壓力傳感器、電阻式應(yīng)變計(jì)和位移傳感器，同時(shí)配備相應(yīng)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(duì)于圓形截面梁，在跨中截面粘貼電阻式應(yīng)變計(jì)，具體布置情況如圖2.4 所示。所有鋼筋應(yīng)變片在綁扎鋼筋階段進(jìn)行布設(shè)，并采取了有效的保護(hù)措施。

圖2.4 應(yīng)變計(jì)布置圖（尺寸單位：cm）

2.4 試驗(yàn)方法及步驟

1.試驗(yàn)前對(duì)各構(gòu)件進(jìn)行理論分析，掌握構(gòu)件的理論開(kāi)裂荷載和極限破壞荷載。

2.根據(jù)開(kāi)裂、極限破壞荷載進(jìn)行合理的荷載分級(jí)，為獲得較好的荷載—撓度曲線(xiàn)，在開(kāi)裂荷載附近及鋼筋屈服（條件屈服）附近，對(duì)荷載分級(jí)進(jìn)行加密。

3.試驗(yàn)步驟：

（1）試驗(yàn)前將有關(guān)傳感器粘貼好（鋼筋應(yīng)變計(jì)在澆筑混凝土前預(yù)埋）；

（2）混凝土表面用石灰刷白，打上方格網(wǎng)；

（3）將試驗(yàn)梁架設(shè)到試驗(yàn)平臺(tái)上，調(diào)試加載設(shè)備和數(shù)據(jù)采集儀；

（4）進(jìn)行初讀數(shù)，分級(jí)加載，每一級(jí)讀取荷載值、應(yīng)變值和變位，觀(guān)察裂縫開(kāi)展情況，在梁表面進(jìn)行標(biāo)示。

2.5 混凝土強(qiáng)度評(píng)定

試驗(yàn)梁混凝土澆筑采用同一批混凝土，混凝土強(qiáng)度一方面通過(guò)同條件養(yǎng)生試塊進(jìn)行試驗(yàn)，另一方面對(duì)部分試驗(yàn)梁在試驗(yàn)后進(jìn)行取芯進(jìn)行測(cè)試?？紤]到加載對(duì)混凝土性能的影響，取芯位置設(shè)在梁的端部附近。從最終試驗(yàn)結(jié)果看，試塊強(qiáng)度與設(shè)計(jì)要求強(qiáng)度基本吻合，但取芯強(qiáng)度離散性較大。

3、試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 裂縫發(fā)展情況

由試驗(yàn)結(jié)果記錄的各梁裂縫隨荷載變化情況，可以看出，達(dá)到極限荷載后，在中部出現(xiàn)裂縫并逐漸延伸、擴(kuò)大，破壞前裂縫寬度在0.96～1.24mm 之間，其裂縫發(fā)展規(guī)律和傳統(tǒng)鋼筋混凝土梁類(lèi)似。

3.2 受力全過(guò)程及極限承載能力

由1#、2#、3#梁破壞形態(tài)及內(nèi)部GFRP-混凝土粘結(jié)情況分析整個(gè)加載過(guò)程，破壞位置出現(xiàn)在梁重點(diǎn)位置附近，破壞后出現(xiàn)了GFRP、混凝土玻璃的情況，部分暴露出來(lái)的GFRP 筋尚未破壞。1#、2#、3#梁的荷載-撓度曲線(xiàn)如圖3.1所示，可以看出受力過(guò)程明顯可分為兩個(gè)工作階段：全截面彈性工作階段、曲線(xiàn)發(fā)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(jìn)入曲線(xiàn)發(fā)展階段，梁跨中彎矩值達(dá)到456kN.m，比預(yù)期承載能力大146%。1#、2#均達(dá)到抗彎破壞，3#梁在卸載過(guò)程中又出現(xiàn)粘結(jié)破壞如圖3.2 所示。

圖3.1 1#、2#、3#梁荷載-撓度曲線(xiàn)

圖3.2 3#梁荷載-撓度曲線(xiàn)

3.3 應(yīng)變情況

3.3.1 鋼筋應(yīng)變

各梁鋼筋應(yīng)變發(fā)展情況與荷載撓度曲線(xiàn)基本相一致，在梁出現(xiàn)裂縫后，鋼筋應(yīng)變出現(xiàn)轉(zhuǎn)折。在試驗(yàn)中GFRP 鋼筋的最大應(yīng)變達(dá)到17800με，按彈模40GPa 計(jì)算，鋼筋應(yīng)力水平為 712MPa。

圖3.3 圓形梁筋材試驗(yàn)應(yīng)變曲線(xiàn)

3.3.2 混凝土應(yīng)變情況

圖3.4 1#梁上緣混凝土應(yīng)變曲線(xiàn)

混凝土受壓上緣粘貼有一個(gè)應(yīng)變片，實(shí)測(cè)壓應(yīng)變情況如圖3.4 所示。從整個(gè)應(yīng)變曲線(xiàn)可以看出，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程可分為破壞前和破壞后兩個(gè)階段，破壞前曲線(xiàn)大致呈線(xiàn)性，應(yīng)變值達(dá)到3100με左右，梁破壞后應(yīng)變急劇變小，中間無(wú)緩變過(guò)程。

結(jié)論：

（1）全GFRP 筋梁的受力過(guò)程有兩個(gè)工作階段：①全截面彈性工作階段；②曲線(xiàn)發(fā)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(jìn)入曲線(xiàn)發(fā)展階段，梁跨中彎矩值達(dá)到456kNm，比預(yù)期承載能力大146%，表明全GFRP 筋梁抗彎力學(xué)性能基本滿(mǎn)足工程需求；

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

（3）試驗(yàn)中觀(guān)測(cè)到3#梁達(dá)到承載能力后，在卸載過(guò)程中發(fā)生筋材與混凝土之間的粘結(jié)破壞，有必要進(jìn)一步改進(jìn)GFRP 筋與混凝土的粘結(jié)，研究在持久荷載作用下，結(jié)構(gòu)的受力性能。