界面优化下的GFRP混凝土组合桥面板静力性能试验研究

郭诗惠+蔡春声+张建仁+曾学

摘 要：为推广GFRP混凝土组合桥面板的工程应用，在GFRP混凝土组合板界面抗剪试验研究的基础上，选取黏砂连接和环氧树脂湿黏结2种连接界面，将前期研究的GFRP混凝土组合桥面板的连接界面进行重新优化设计，制作10块试件进行静力试验，并将试验结果与前期研究结果进行对比分析.研究结果表明：界面重新优化设计的组合板试件，在试验加载过程中能够满足平截面假定，具有良好的整体工作性能，具有较高的承载力和良好的变形恢复能力；试件的破坏虽然为脆性破坏，但是在破坏前构件的变形较大，有一定预兆，具有较高的强度安全储备.

关键词：GFRP混凝土组合板；静力试验；试验分析；界面连接；界面优化

中图分类号：U443.31；U441 文献标志码：A

文章编号：1674-2974（2017）03-0019-09DOI：10.16339/j.cnki.hdxbzkb.2017.03.003

Abstract：Reliable interface connections of composite decks are important for their structural performance. To promote engineering applications of GFRP-concrete bridge decks， both the distributed sand bonding interface and the wet epoxy resin bonding interface are considered in the present study. Previous GRFP-concrete interface details are also optimized based on the double-shear test results of the GFRP-concrete composite bridge deck. Ten specimens are manufactured and tested under static loading， and the test results are compared with the previous test results. The present study shows that， with the optimized GFRP-concrete interface， the deformation of the specimens agrees with the plane deformation assumption during the loading process. The specimens show good integrity and high load-carrying capacity as well as good capability in recovering their deformations. Although brittle failure modes are observed in the specimens， large deflections occur before failure， which give some failure warning and ensure relatively high reservation of strength safety.

Key words：GFRP-concrete composite deck； static tests； test analysis； interface connection； optimized interface

纤维增强复合材料（fiber reinforced polymer，简称FRP）具有轻质高强、耐腐蚀、抗疲劳、线弹性及可设计性强等特点，是替代钢材的一种理想材料[1].FRP-混凝土组合桥面板是基于钢混凝土组合板设计思路提出的，是将FRP型材布置在组合板的受拉区、混凝土板布置在受压区，二者之间通过一定的连接方式组合协同受力的一种结构体系.

在土木工程中，传统的钢筋混凝土桥面板和钢混凝土组合桥面板，在恶劣的自然环境中钢材锈蚀、混凝土开裂等问题日益严重，不仅严重影响结构的耐久性，而且会造成安全事故隐患[2-3].而FRP-混凝土组合桥面板具有自重轻、抗震性能好、耐腐蚀、抗疲劳、施工方便及维护费用低等优势，能解决传统桥面板在恶劣环境下钢材锈蚀、劣化问题，从而改善和提高结构的耐久性.

目前，国内外学者对FRP材料在结构的加固补强方面的研究和应用较为广泛[4-10]，而在FRP-混凝土组合结构方面的研究却很少，且不同研究者研究的角度不同导致研究结果存在较大差异：Deskovic等[11]对提出的纤维缠绕GFRP箱梁混凝土组合板进行了弯曲性能试验，研究结果显示该组合板构件发生了界面剥离破坏，表现出一定程度的“伪延性”；Hulatt等[12]采用真空袋法塑化工艺制作FRP壳，设计了FRP箱型梁、T型梁混凝土组合板，并进行了静力试验研究，结果表明在荷载作用下FRP的力学性能没有改变，但混凝土刚度却明显退化；Cheng等[13]对开发设计的模块化的FRP-混凝土组合板体系进行了静力性能试验研究，结果显示该组合板承载力较高，各项力学性能均能满足AASHTOHS20规范规定的设计要求；Alnahhal等[14]对提出的FRP-混凝土组合桥面板进行了弯曲、剪切性能试验研究，并用ABAQUS有限元软件进行了数值模拟，研究表明有限元结果与试验结果吻合较好；冯鹏[15]设计了一种FRP-混凝土组合桥面板应用于北京某人行天桥中，并对该组合板的變形控制方法进行了研究；邓宗才等[16]阐述了FRP-混凝土组合板的基本设计思想，对提出的组合板进行了理论分析；郭诗惠等[17]按实桥尺寸设计了三孔箱型GFRP混凝土组合板，并进行了静力性能试验研究，研究结果显示该组合板具有较高的承载能力和变形恢复能力，组合板的最终破坏以挠度控制，具有较高的安全储备.

虽然上述研究对FRP-混凝土组合结构得到了一些有益的研究结果，但是在连接界面上并没有进行深入研究.界面的可靠连接是保证组合结构正常工作的基础，针对文献[17]，作者参考相关研究，对该组合板的界面连接方式重新进行设计，并制作27个试件，进行了双剪推出试验研究[18]，研究结果显示，设计的连接界面抗剪强度均较高、破坏时界面出现的滑移值均较小，可以考虑作为组合板界面的构造连接.从经济和方便施工的角度考虑，本文从设计的界面中选取黏砂连接和环氧树脂湿黏结2种连接方式，以混凝土强度等级、混凝土板厚为参数，制作10块GFRP混凝土组合板试件，进行静力加载试验，根据试验过程和试验结果分析其典型破坏形态、承载力和刚度的影响因素，并与前期开展的组合板试件的试验结果进行对比分析，为推进FRP-混凝土组合板的工程应用提供设计参考和依据.

1 试验方案

1.1 试件制作

本试验采用的试件与文献[17]中开展的GFRP混凝土组合板试件在材料、尺寸和形状等方面完全相同，只是界面连接方式不同.根据文献[18]，本试验的组合板试件界面采用黏砂连接和环氧树脂湿黏结.

文献[17]中的界面制作过程为：首先在GFRP上翼板采用喷砂粗糙处理，然后涂刷环氧树脂有机胶，最后在胶层上满撒石英砂.针对文献[17]界面过早出现滑移的试验结果，文献[18]将连接界面进行了优化设计，从界面的粗糙处理、胶结剂的选用、胶层厚度、石英砂粒径及石英砂的胶层面积覆盖率等方面都进行了说明.界面胶结剂采用瑞士西卡公司生产的Sikadur31CFN环氧黏结剂，涂刷厚度为4 mm[19]，根据其使用说明，在黏接玻璃制品材料时先涂刷Sikafloor156作为底涂，然后在湿状态下涂刷Sikadur31CFN胶层.界面制作具体过程为：先用打磨机将GFRP上翼板打磨并清洗干净，干燥后涂刷Sikafloor156底涂，在底涂湿状态下涂刷4 mm厚度的Sikadur31CFN胶层.黏砂连接界面是在胶层上均匀地撒粒径5～8 mm的洁净石英砂，砂粒的面积覆盖率为40%～50%[18]，为保证连接效果，砂粒应部分嵌入胶层内，部分露在外面.环氧树脂湿黏结界面是指在未固化的胶层上浇筑混凝土，让胶和混凝土融合并一起固化成型的一种黏接方法.

以连接界面、混凝土强度等级和混凝土板厚为参数，本试验共设计制作了10个GFRP混凝土组合板试件，其截面形式、几何尺寸和构造如图1所示，材料性能指标见表1和表2.

1.2 加载装置

试验采用1 000 kN的电液式加载机，加载方式

为跨中2点对称集中加载，加载装置如图2所示.加载前先进行预加载，以检查试验装置和测试仪器的可靠性.正式加载采用分级加载，每20 kN为一级，保持荷载5 min，采集数据和记录试验现象后再进行下级加载，直至试件破坏.

1.3 量测内容及测点布置

在试验加载过程中，通过在构件上布置百分表对试件的挠度进行量测，挠度测点D1～D6布置如图3所示.在GFRP底板、混凝土顶板及构件跨中侧面布置电阻应变片，以量测构件在各受力阶段的应变发展情况，应变片布置如图4所示.

1.4 试验破坏现象分析

试件在加载过程中，GFRP构件与混凝土板协同工作，随着荷载的增加构件的挠度逐渐增大，加载到极限荷载前构件一直没有出现裂缝和明显的滑移现象，所有试件的破坏都是出现在单侧加载区混凝土板附近，破坏时构件截面刚度突然降低，导致此处

变形突然增大，但GFRP构件整体性比较好.试件的破坏是突然发生的，同时伴随巨大的一声响及连续噼啪响声.卸载后由于GFRP构件的弹性回缩，10块试件的残余变形均小于0.5 mm.

试验过程中试件主要有混凝土压碎破坏和界面剥离破坏2种典型破坏形态.由于GFRP构件2侧伸入混凝土板内的倒L型肋对混凝土板的约束作用，因此试件破坏时释放的能量对其产生巨大的作用力，从而使其及与其相连接的2侧腹板发生破坏，各试件的破坏形态见表3.

混凝土压碎破坏（破坏形态Ⅰ）：加载到极限荷载时，一侧加载板外侧混凝土压溃，同时此加载点处两侧GFRP腹板与翼板脱离并向外屈曲破坏，如图5（a）所示.

界面剥离破坏（破坏形态Ⅱ）：加载到极限荷载时，一侧加载板处混凝土侧板先出现明显的斜裂缝，裂缝迅速扩展并沿板顶面贯通，接着与其相连的剪跨段混凝土板发生界面剥离破坏，而另一侧试件没有出现明显开裂和界面剥离情况.界面剥离破坏表现为2种形态：仅混凝土板与连接界面剥离发生滑移破坏（记为破坏形态Ⅱa），如图5（b）所示；混凝土板与连接界面剥离发生滑移破坏、同时GFRP外侧腹板与翼板脱离向外屈曲、剪切破坏（记为破坏形态Ⅱb），如图5（c）所示.

2 试验结果与分析

各试件的参数及主要试验结果见表3.

2.1 荷载挠度曲线

在加载过程中随着荷载的增大， 试件挠度基本上呈线性增长，达到极限荷载时，构件挠度达到最大值.试件的破坏是突然发生的，具有典型的脆性破坏特征.试件破坏时，构件的变形较大，挠跨比远远大于《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTDG 62—2012）规定的1/600.加载结束后，在卸载过程中，由于GFRP构件的弹性回缩，整个构件的挠度逐渐变小，卸载结束后几乎没有残余挠度.图6和图7给出了2种不同连接界面的各组合板试件的荷载跨中挠度曲线.

从图中可看出，GFRP混凝土组合板试件在加载过程中始终保持良好的整体工作性能，说明试件中采用的2种连接界面均能可靠连接，抗剪连接性能较高.图6（a）和图7（a）中显示，在混凝土板厚相同的情况下，混凝土强度等级的改变对构件的刚度影响不大，构件的承载力随混凝土强度等级的增大而有所增大，但增大幅度有限；图6（b）和图7（b）显示，在混凝土强度等级相同的情况下，构件的刚度随混凝土板厚的增加明显增大，构件的承载力也随混凝土板厚的增加而提高（试件FCCD-8除外）：当混凝土板厚度由70 mm增大到100 mm时，构件的承载力增加较为显著，但当混凝土板厚度由100 mm增大到150 mm时，构件的承载力增长幅度却减缓.这是因为界面黏结破坏使得厚混凝土板强度不能充分发挥.通过对试件FCCD-8的破壞模式、顶板混凝土压应变及跨中截面纵向应变等进行分析，发现此构件破坏时混凝土顶板的压应变仅为-1 136 με，远远低于混凝土的极限压应变，由于此试件混凝土板较厚（h=150 mm），连接界面处的混凝土处于受拉的不利状态，再加以界面制作时的施工质量因素，从而使连接界面的抗剪连接强度相比其他试件较低，最终造成其破坏时构件的承载力降低.

2.2 應变分析

图8所示为组合板构件混凝土顶板的加载点荷载应变曲线.试件的荷载应变曲线包括直线段和非直线段2部分：在加载初期图形呈线性，随着荷载的逐渐增大，图形的非线性特性越来越明显，直至构件破坏.从表3和图8中可看出，破坏形态为Ⅰ的试件（FCCD-1， FCCD-4， FCCD-6， FCCD-7， FCCD-9， FCCD-10）在破坏时混凝土顶板的压应变均超过了-2 500 με，最大为-3 245 με（试件FCCD-9），已经接近混凝土的极限压应变规范值-3 300 με，说明界面的抗剪连接性能较高；而破坏形态为Ⅱ的试件（FCCD-2， FCCD-3， FCCD-5， FCCD-8）在破坏时混凝土顶板的压应变均低于-2 500 με，最小仅为-1 136 με（试件FCCD-8），远小于混凝土的极限压应变，说明试件的界面抗剪连接性能相对较低.

图9为GFRP底板的荷载跨中应变曲线.从图中可看出，所有试件在加载过程中GFRP底板的荷载应变曲线始终保持直线状态，荷载与应变之间是完全的弹性关系.这是因为GFRP材料的抗拉强度较高，构件在破坏时GFRP底板的纵向拉应变（最大为5 515 με）远小于其极限拉应变（14 100 με），说明其强度性能没有充分发挥并有待于进一步研究.

图10所示为组合板试件跨中截面纵向应变沿高度变化曲线.从图中可看出，各试件在加载过程中纵向应变沿截面高度始终呈线性变化，能够满足平截面假定.这表明组合板试件在加载过程中保持良好的整体工作性能，连接界面抗剪性能较高，界面间的滑移量很小.混凝土板厚为70 mm的试件（FCCD-1，FCCD-6）的连接界面基本上处于中性轴的位置，其余试件的连接界面位于中性轴的下方，使界面处的混凝土处于受拉状态，且随混凝土板厚的增大界面混凝土所受的拉力增大.

3 试验结果对比分析

为和前期开展的GFRP混凝土组合板构件的试验结果[17]进行对比，本试验构件仅对连接界面进行改变，而构件的形状、尺寸、材料特性及加载点位置均不改变.本次试验构件的连接界面有黏砂连接和湿黏结2种，前期试验构件连接界面为黏砂连接，2次试验的界面具体做法见本文中的试件制作.

为对比直观，选取黏砂连接界面进行2次试验结果对比，具体见表4.

从表4可看出，和前期试验构件的试验结果相比，界面经优化设计后的试件在承载力和刚度上均有较大幅度的提高，说明经优化后的界面连接更为可靠，GFRP混凝土组合板整体工作性能较好.

4 结 论

1）界面经优化设计的GFRP混凝土组合板试件，在试验加载过程中界面间出现的滑移值很小，具有良好的整体工作性能.

2）本文设计的GFRP混凝土组合板试件具有较高的承载能力和良好的变形恢复能力.试件的破坏虽然为脆性破坏，但是在破坏前构件的变形较大，因此，在进行GFRP混凝土组合板设计时应按正常使用极限状态考虑，以变形为控制因素，从而使构件具有较高的强度安全储备.

3）试验表明，在界面连接可靠的情况下，增大混凝土板厚能有效提高GFRP混凝土组合板构件的承载力和刚度，提高混凝土强度等级仅能提高组合板构件的承载力，而对构件的刚度影响不大.但是增大混凝土板厚不仅使构件的重量增加，而且可能造成组合板构件的界面混凝土处于受拉的不利状态，因此在进行组合板设计时，在确定了混凝土强度等级后还应将混凝土板厚控制在合理的范围内.

4）本文设计的组合板试件在试验加载开始至破坏前能够满足平截面假定，在理论计算中可忽略界面滑移对结构刚度及承载力的影响，认为GFRP和混凝土协同工作.

5） 由于GFRP混凝土组合板的破坏大多数受界面性能控制，高混凝土强度，厚混凝土板厚，以及FRP材料都有可能不能充分利用，因而设计中要综合考虑.

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