周欣竹,陳 浩,吳 熙,范興朗,向華偉

(1.浙江工業(yè)大學 土木工程學院,浙江 杭州 310023;2.浙大城市學院 工程學院,浙江 杭州 310015;3.中冶檢測認證有限公司 核電風電事業(yè)部,北京 100088)

鋼筋混凝土板是水工、港口工程中應用最廣泛的構件。由于長期處于腐蝕性環(huán)境中,混凝土板內部鋼筋易發(fā)生銹蝕,從而降低力學性能、縮短使用壽命。因此,采用抗腐蝕性能優(yōu)越的玻璃纖維增強聚合物(GFRP)材料來代替混凝土中的鋼筋,對于提高結構耐久性具有重要意義[1-2]。自20世紀80年代中期以來,各國在纖維增強聚合物(Fiber reinforced polymer,FRP)筋混凝土板的理論和試驗研究方面均取得了豐碩的成果。Elghandour等[3]對FRP筋混凝土板進行沖切破壞試驗,通過分析試驗數(shù)據(jù),采用應變法對ACI 318規(guī)范[4]中FRP筋的軸向剛度進行修正,提出了關于FRP筋混凝土試驗板沖切承載力計算模型;Matthys等[5]對集中荷載作用下單向彎曲的FRP筋混凝土試驗板的力學性能進行了試驗,發(fā)現(xiàn)抗沖切承載力與抗彎剛度相近的鋼筋混凝土板基本一致;Ei-Gamal等[6]通過試驗調查了筋材類型、配筋率、FRP筋抗彎剛度以及FRP筋試驗板邊緣約束對板沖切承載力的影響,并對ACI 318規(guī)范[4]中沖切承載力公式進行了進一步的修正;朱海堂等[7]基于試驗分析了混凝土強度、FRP筋配筋率和板邊長比等因素對板中心荷載與撓度關系曲線的影響,結果表明,在給定荷載作用下,隨著板的邊長比、混凝土強度及FRP筋配筋率的增大,試驗板中心的撓度也相應增大;張亞坤等[8]通過試驗研究了玄武巖纖維增強塑料(BFRP)筋配筋率、加載位置等因素對混凝土試驗板沖切承載力的影響,結果表明,集中荷載作用于板中心的抗沖切承載力要低于偏心荷載下板的抗沖切承載力,BFRP筋的配筋率對試驗板的抗沖切承載力和抗裂性影響不大。

目前,FRP筋混凝土板沖切承載力的影響因素主要涉及混凝土強度、FRP筋配筋率、板邊長比以及筋材類型,而有效高度作為影響FRP筋混凝土板沖切承載力的主要因素之一[9-14],并未受到足夠的重視。有效高度對GFRP筋混凝土板的破壞模式和沖切性能均有影響,為獲得上述因素間的定量關系,筆者采用試驗方法,設計不同板厚的GFRP筋混凝土板試件,通過分析試件破壞形式、荷載—變形曲線及GFRP筋應變與混凝土應變的關系,分析有效高度對GFRP筋混凝土板沖切性能的影響,為更準確地計算GFRP筋混凝土板沖切承載力提供參考。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

試驗材料采用的是商品混凝土,其強度如表1所示。GFRP筋直徑為12 mm,其基本性能參數(shù)如表2所示。

表1 混凝土強度指標

表2 GFRP筋基本參數(shù)

1.2 試件參數(shù)

試驗共制作3塊GFRP筋混凝土方形板,邊長均為1 500 mm,試驗板高度分別為180,150,120 mm,方板中GFRP筋設置為單層且雙向的形式。在試驗板中心區(qū)域設置了正方形的截面短柱,邊長為300 mm,高為300 mm。為保證短柱在加載過程中不被破壞,在短柱內部設置了8根直徑為14 mm的縱配筋,縱配筋類型為HRB400;設置了直徑為8 mm,間距為100 mm的橫配筋,橫配筋類型為HPB300;短柱的保護層厚度為20 mm。試件參數(shù)如表3所示,其尺寸以及配筋的布置方式如圖1所示(以試件A30-1為例)。

圖1 試件尺寸和配筋

表3 GFRP筋混凝土板設計參數(shù)

1.3 測點布置和試驗方法

試驗運用靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀來收集數(shù)據(jù),每過3～5 min,拍照記錄試件的裂縫和整體變化情況。位移測點的布置如圖2所示,該測點的豎向撓度由位移傳感器記錄并安裝在試件板受壓面處。

圖2 位移測點

混凝土和GFRP筋應變測點分別如圖3,4所示,測點處的應變分別通過安裝在混凝土板受壓面的應變器及安裝在GFRP筋上的應變器監(jiān)測得到。試驗使用微機控制的電液伺服多功能試驗機,參考混凝土結構設計規(guī)范[9],加載模式采用力—位移混合控制,試驗裝置如圖5所示。試驗板柱頭朝上,下方對稱放置8個直徑為100 mm的圓形鋼棒支座,支座中心與試驗板最外邊相距100 mm,支座下方安裝了近1 m高的鋼框架,以方便在加載過程中很好地觀察和記錄GFRP筋混凝土板底的裂縫變化情況。

圖3 混凝土應變測點

圖4 GFRP筋應變測點

圖5 試驗裝置

2 GFRP筋混凝土方板試驗結果及分析

2.1 板的破壞特征

試件A30-1的破壞形態(tài)如圖6所示:當施加的力達到22 kN時,試件A30-1開始出現(xiàn)縱向裂縫,此時板中心的豎向撓度為0.30 mm;當施加的力達到130 kN時,試件出現(xiàn)了明顯且完整的環(huán)向裂縫;當施加的力達到155 kN時,試件豎向撓度增加明顯,隨后試件轉為位移加載模式;當荷載最后增加至191 kN時,試驗板發(fā)生破壞,相對應板中心的豎向撓度為17.49 mm。

圖6 A30-1的裂縫

試件A30-2的破壞形態(tài)如圖7所示:當施加的力達到50 kN時,試件A30-2開始出現(xiàn)縱向裂縫,此時板中心的豎向撓度為0.50 mm;當施加的力達到175 kN時,試件出現(xiàn)了明顯且完整的環(huán)向裂縫;當施加的力達到225 kN時,試件豎向撓度增加明顯,隨后試件轉為位移加載模式;當荷載最后增加至289 kN時,試驗板發(fā)生破壞,相對應板中心的豎向撓度為15.01 mm。

圖7 A30-2的裂縫

試件A30-3的破壞形態(tài)如圖8所示:當施加的力達到80 kN時,試件A30-3開始出現(xiàn)縱向裂縫,此時板中心的豎向撓度為0.55 mm;當施加的力達到255 kN時,試件出現(xiàn)了明顯且完整的環(huán)向裂縫;當施加的力達到305 kN時,試件豎向撓度增加明顯,隨后試件轉為位移加載模式;當荷載最后增加至413 kN時,試驗板發(fā)生破壞,相對應板中心的豎向撓度為15.87 mm。

圖6～8顯示了試件A30-1至試件A30-3破壞時的裂縫分布形式。由圖6～8可知:板底縱向裂縫以加載面混凝土正下方為中心向板四周輻射到板端,在環(huán)向裂縫周圍可以看到混凝土有明顯的剝落現(xiàn)象。對比試件A30-1,A30-2,A30-3環(huán)向裂縫可以發(fā)現(xiàn):試件A30-3形成的環(huán)向裂縫最大,試件A30-2次之,試件A30-1最小;隨著有效高度的增加,板底環(huán)向裂縫寬度越大,板底混凝土剝落面積越大。

2.2 GFRP筋應變

各試件內部GFRP筋在不同測點處的荷載—應變曲線如圖9所示。圖9中:G1,G2,G3,G4分別表示GFRP筋在圖4中測點1,2,3,4處對應的應變曲線。在初始加載階段,GFRP筋荷載與應變的關系曲線遵循著線性增長規(guī)律。當加載至試件開裂時,試件發(fā)生了應力重分布現(xiàn)象,裂縫處的混凝土不再參與受力,取而代之的是裂縫處的GFRP筋開始受力。隨著荷載的持續(xù)增大,試件受拉面的裂縫開始向板邊緣延伸,各試件不同測點處的GFRP筋應變也隨之增大,可以發(fā)現(xiàn)越是靠近柱頭區(qū)域的測點,GFRP筋應變增加速率相對越大。當試件A30-1和A30-3施加的荷載分別接近其極限荷載時,試件A30-1中的G2和試件A30-3中的G1會出現(xiàn)應變回縮的現(xiàn)象,這表明試件從力切換到位移加載階段后,內部GFRP筋發(fā)生了應變重分布。對比試件A30-1,A30-2,A30-3的GFRP筋應變曲線發(fā)現(xiàn):在相同荷載的作用下A30-1的縱筋應變最大,A30-2的縱筋應變次之,A30-3的縱筋應變最小,即有效高度和GFRP筋的應變成反比例關系。

2.3 混凝土應變

在中心荷載的作用下,柱頭周圍不同測點處混凝土的荷載—應變關系如圖10所示。圖10中:C1,C2,C3,C7,C8分別表示混凝土在圖3中測點1,2,3,7,8處對應的應變曲線。在加載初期,各測點處混凝土的壓應變隨著荷載的增大而增大,并且符合線性增長的規(guī)律。當試件出現(xiàn)裂縫后,越靠近柱頭區(qū)域的測點,其混凝土的壓應變增長速率越大。隨著荷載的持續(xù)施加,各試件不同測點處的混凝土應變越大,其中測點1處的混凝土應變明顯下降,這是因為越靠近柱頭區(qū)域,試驗板所受的壓應力越大,壓應變也隨之增大,而遠離柱頭區(qū)域混凝土壓應力變小,壓應變也會越來越小。當施加的荷載值快要達到試件的極限荷載時,部分試件測點的混凝土荷載—壓應變曲線出現(xiàn)明顯的應變回縮現(xiàn)象,這表明混凝土發(fā)生了應變重分布,與2.2節(jié)GFRP筋發(fā)生現(xiàn)象一致。

圖10 柱周混凝土荷載—應變曲線

因為距離柱頭區(qū)域較遠的混凝土應變很小,不具有代表性,所以將各試件測點1的曲線進行匯總,結果如圖11所示。由圖11可知:在相同荷載水平下,試件A30-1混凝土壓應變最大,試件A30-2混凝土壓應變次之,試件A30-3混凝土壓應變最小,即有效高度和混凝土壓應變成反比例關系。

圖11 不同有效高度時測點1的混凝土荷載—應變曲線

2.4 板中心荷載—撓度曲線

試件載荷與撓度關系曲線可以反映其延展性和能耗能力,從而指導結構設計。通過對板中心施加集中載荷并記錄不同載荷下試驗板豎向撓度的數(shù)據(jù),可以結合試件失效破壞模式總結試件失效類型,常見的失效類型[15-16]分為彎曲破壞、彎沖破壞和沖切破壞。

彎曲破壞可以看作理想的延性失效破壞。當試驗板承受極限荷載時,試件中的裂縫數(shù)量少且寬,并伴隨著較大的彎曲變形。位于主裂縫處的受力筋發(fā)生了屈服,當屈服筋所在區(qū)域形成塑性鉸線破壞機制時,試件發(fā)生彎曲破壞,在荷載—中心撓度曲線上可以看到比較明顯的水平線段。

彎沖破壞是試驗板中最為常見的失效類型,處于彎曲破壞和沖切破壞兩種失效類型之間。在即將達到極限承載力之前,試件具有一定的豎向撓度變形,雖然試件受拉內側位于柱頭區(qū)域的縱筋已經(jīng)發(fā)生屈服,但遠離柱頭區(qū)域的縱筋并未發(fā)生屈服,直到試驗板被破壞時仍未形成塑性絞線破壞機制。

沖切破壞可以看作理想的鋼塑性破壞。直到?jīng)_切破壞時試驗板的變形依舊很小,板內的受拉筋均未發(fā)生屈服,試件在彎曲和剪力共同作用下,柱頭伴隨著沖切錐體從板內沖出。由于試件破壞發(fā)生得突然,看不到明顯的彎曲變形,屬于脆性破壞。根據(jù)上述失效特征,將板的失效類型及特征進行總結歸納,如表4所示。

表4 GFRP筋混凝土板的破壞形式及特征

根據(jù)試驗板所獲得的數(shù)據(jù),可得到試件中心荷載與撓度的關系曲線,如圖12所示。在試驗板發(fā)生破壞之前,可以將圖12中的曲線看作兩段不同斜率的直線相連接。第一條直線從0 kN開始延伸至各試件的開裂荷載處,第二條直線從第一條直線的末端開始延伸至各試件的極限荷載處。其中試件本身的剛度決定了第一條直線的斜率,所有板均滿足該規(guī)律。兩條直線的相交點對應于試件開裂荷載處,此時因為試件底部出現(xiàn)裂縫從而減小了截面有效慣性矩,所以第二條直線的斜率要小于第一條直線。

圖12 GFRP筋混凝土板的荷載—撓度曲線

2.5 試驗板沖切破壞角情況

試驗結束后,將試驗板沿方柱側邊方向切開,如圖13所示。觀察發(fā)現(xiàn):試件沖切破壞角隨著遠離方柱的方向而趨于平緩,同時,兩個方向不是完全對稱的。經(jīng)測量儀器測定,從板底部沖孔錐形成的明顯環(huán)形裂紋到柱頭側面的水平距離l為1.3h0～3.5h0,其中h0為板的有效高度。目前,我國FRP筋混凝土板方向的結構工程仍執(zhí)行《混凝土結構設計規(guī)范》(GB 50010—2010),不區(qū)分基礎板和樓板,并對沖切角作了統(tǒng)一規(guī)定(取45°)。

圖13 試件沖切破壞面

2.6 沖切破壞試驗結果

將沖切破壞試驗的主要數(shù)據(jù)結果進行匯總,結果如表5所示。表5中:Vcr為試件的開裂荷載;δcr為試驗板開裂荷載所對應的豎向撓度;Vp為試件極限荷載;δ為板中心極限荷載所對應的豎向撓度;Vres為試驗板的殘余承載力;δres為試驗板殘余承載力所對應的豎向撓度;lcone為試件底部沖孔錐形成的明顯環(huán)形裂紋到柱頭側面的水平距離的平均值;α為試驗板沖切破壞角。

表5 GFRP筋混凝土板的主要試驗結果

2.7 有效高度參數(shù)分析

圖14為不同有效高度試件的荷載—撓度曲線。由圖14可知:1) 在加載初期,可以將試件看作彈性材料,荷載與撓度大致呈線性關系。當載荷增加至極限荷載的11%～21%時,對應于板的開裂荷載,此時曲線出現(xiàn)轉折點,試件受拉底面靠近柱頭區(qū)域出現(xiàn)了細微的裂縫。隨著荷載的不斷增加,試件受拉面的裂縫逐漸向周圍的支座或板角擴散。當施加的荷載逐漸靠近極限荷載時,曲線趨于平緩,雖然此時試驗板受拉底面的裂縫數(shù)量基本穩(wěn)定,但板底各裂縫的寬度在逐漸增大。當試件承受極限承載力時,試驗板突然發(fā)生了沖切破壞,試驗板退出工作的瞬間,其內部裂縫互相交叉貫通形成了沖切錐體,在外力荷載作用下連同方柱一起被沖脫出。2) 在相同荷載水平下,板A30-1的撓度最大,板A30-2的撓度次之,板A30-3的撓度最小,由此可見,增大有效高度可以提高板的剛度。3) 達到極限荷載時,板A30-2撓度為15.01 mm,而板A30-3的撓度也僅為15.87 mm,因此,一味增大有效高度并不能有效減小板的極限撓度值。

圖14 不同有效高度板的荷載—撓度曲線

將不同有效高度試驗板的承載力進行比較,結果如圖15所示。圖15中縱坐標表示以A30-1承載力為分母的無量綱化承載力。由圖15可知:增加有效高度能夠明顯提升試驗板抗沖切承載力,當有效高度增大23%和57%時,開裂荷載分別提高127%和264%,抗沖切承載力分別提高51%和116%,大致呈線性增長趨勢。結合圖13,14,增大有效高度在一定程度上會減小沖切破壞角和撓度,這主要是因為增加有效高度減小了沖垮比(延性降低)、增大了截面抵抗矩(剛度提高)。

圖15 有效高度分別為88,108,138 mm板的性能比較

3 結 論

采用試驗方法研究了不同有效高度對GFRP筋混凝土板力學性能的影響。試驗中,通過在板中心施加集中荷載,確定了3塊不同高度試驗板在載荷作用下的中心撓度、開裂荷載和極限荷載等行為。通過研究得到:1) 可采用受拉GFRP筋是否達到極限應變作為試件失效破壞的判斷標準,從試驗結果看,3塊GFRP筋混凝土板在集中荷載的作用下均未達到極限應變值,均被沖切破壞;2) GFRP筋混凝土板的極限承載力隨著有效高度的增大而提高,當有效高度分別增加23%和57%時,抗沖切承載力分別提高51%和116%,大致呈線性增長的趨勢;3) 增大有效高度在一定程度上可以減小沖切破壞角和撓度;4) 隨著有效高度的增大,GFRP筋和混凝土受壓一側的應變減小,與有效高度成反比例關系。