GFRP带肋筋黏结性能试验研究

宋金华，史 鹏

(河北工业大学 土木与交通学院，天津 300401)

0 引 言

混凝土结构是世界上应用最广泛的建筑建材之一。钢筋混凝土是混凝土与钢筋组合而成的复合材料[1]。钢筋混凝土结构广泛用于各种工程，然而在侵蚀性的环境中，钢筋锈蚀是一个非常严重的问题，混凝土结构强度降低，缩短使用寿命。如何解决钢筋锈蚀问题，提高混凝土结构的耐久性，是土木工程学术界急需解决的问题。GFRP筋具有高性能、耐腐蚀、轻质、徐变小等特性[2- 4]，可以替代普通钢筋，从根本上解决由钢筋锈蚀引起的工程失效问题。

GFRP筋混凝土结构并没有在实际工程中得到应用，缺少科学合理的设计准则。近年来，一些国内学者已经对GFRP筋与混凝土黏结性能展开了研究[5-7]，并没有展开对GFRP筋最佳外形的研究，但是GFRP筋最佳外形研究是基础工作，由于GFRP筋与混凝土黏结性能除了受到混凝土抗压强度、GFRP筋埋置深度、直径等因素影响，GFRP筋本身组成成分和尺寸参数不同也会导致黏结性能明显变化[7-11]。因此，确定GFRP带肋筋最佳外形研究是GFRP带肋筋与混凝土黏结性能、计算GFRP带肋筋的黏结锚固长度、建立GFRP带肋筋与混凝土的黏结-滑移本构模型等关键问题[12-13]，同时也是GFRP筋混凝土结构应用的基础。

笔者分析30种不同参数的GFRP带肋筋与混凝土的黏结滑移性能、分析拉拔试件的破坏形式，采用控制变量的方法研究肋参数的变化对GFRP筋混凝土构件的黏结性能的作用效果，确定GFRP带肋筋的最佳外形布置，最后构建GFRP筋混凝土构件的黏结-滑移本构模型。

1 GFRP带肋筋拉拔试验

1.1 GFRP筋类型

本次试验用筋为普通的GFRP带肋筋，弹性模量为38～43 GPa、抗拉强度为750 MPa。带肋筋内部的玻璃纤维应用低导热玻璃纤维，该纤维的含量一般为69%。GFRP带肋筋的加工工艺比较复杂，一般采用拉拔挤压成型；最后，为提高GFRP筋与混凝土的黏结滑移强度，一般对GFRP筋采用拉筋的纤维束进行紧密缠绕，这样GFRP筋表面产生的横肋比较均匀，最后剥开GFRP筋表面的纤维束。

GFRP带肋筋拉拔试验中GFRP筋的直径主要有12、10、8 mm 3类，总共30种不同参数的GFRP筋。肋高度的定义为GFRP带肋筋一侧变形处直径与相邻的两个变形中点处直径的1/2，由于肋高度的值比较小，为使试验结果精确一般求平均值。而带肋筋的肋间距定义为并排两横肋之间的距离；肋间距的控制因素主要有纤维束的缠绕角度、缠绕速度等。GFRP筋的不同肋参数位置见图1。

图1 GFRP筋参数示意Fig.1 Schematic diagram of parameters of GFRP bar

在试验室内采用的构件混凝土强度等级为C30，细骨料选用普通中砂、粗骨料选用小于20 mm的碎石。同一批试件在浇筑时，需要留3个100 mm×100 mm×100 mm的立方体试块。浇筑一昼夜后拆模，各组试块在相同条件下自然养护28 d。达到一定时间，对预留的立方体试块进行抗压试验，实际测得的抗压强度为25.36 MPa。

1.2 试件制备

标准的拉拔试件按照American Concrete Institute(ACI)标准设计：GFRP筋的锚固长度一般为4D，不同肋参数的GFRP筋各自浇筑3个尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的试件。每个拉拔构件的表示方法为B@A-C；其中：A为GFRP带肋筋的肋间距；B为GFRP带肋筋的直径；C为GFRP带肋筋的肋高度，一般表示方法为GFRP筋的肋高度与直径的比值。

为避免GFRP筋混凝土构件在加载端和GFRP筋端部的受力不均匀，在构件的加载端GFRP带肋筋和混凝土之间设置塑料套管来减小边界处的应力过大对试验结果造成的误差。其中GFRP筋拉拔试件的示意如图2，GFRP带肋筋加载端的长度为380 mm；另一端预留长度在20 mm左右，有利于GFRP带肋筋自由端滑移值的测量。

图2 黏结滑移试件(单位：mm)Fig.2 Bond-slip specimen

1.3 试验装置

本试验装置的型号是JR-50,示意如图3，实物图为4。在GFRP带肋筋混凝土构件的受力过程中，试验机的作用方向为竖直向下。在吊篮的下板与反力架下部钢垫板之间安装使GFRP筋在其中自由转动的穿心球铰，从而避免GFRP带肋筋和加载端的偏移引起混凝土的大范围劈裂破坏，确保GFRP筋混凝土之间的黏结力为竖直方向。在拉拔试验机下端安装可以夹持GFRP带肋筋的锚具。试验装置均匀连续加载，对于直径是8 mm的试件，加荷速度是3 KN/s；对于直径是10 mm的试件，加荷速度是4 KN/s；对于直径是12 mm的试件，加荷速度是5 KN/s。当试件临近破坏、变形速度加快时，应停止调整试验机油门，直至试件破坏，记录最大荷载。

GFRP带肋筋两端滑移量测量：在GFRP带肋筋的自由端安装一个位移计，可以测得 GFRP带肋筋自由端的滑移量；在GFRP带肋筋与混凝土未接触段的两侧固定两个位移计，可以测得GFRP带肋筋加载端的滑移量，为了使计算结果精确，多次测量取两个位移计的平均值作为滑移量。

图3 拉拔试验装置示意Fig.3 Schematic diagram of pullout test device

2 拉拔试验结果

2.1 黏结滑移强度

黏结长度比较小为4D，所以假设剪切应力沿GFRP筋的黏结长度分布均匀，GFRP筋的黏结强度τu为作用在GFRP筋的拉力与GFRP筋与混凝土锚固的接触面积的比值，即最大平均黏结应力。也即拉拔荷载(拉拔力)除以GFRP筋和混凝土接触部分的表面积。GFRP筋混凝土构件的黏结强度公式如式(1)：

(1)

式中：p为拉拔荷载；d为GFRP带肋筋的直径；la为GFRP筋在混凝土中的锚固长度；τ为GFRP筋与混凝土之间的黏结滑移强度。

2.2 黏结滑移公式

由塑料套管作用的未黏结部分GFRP带肋筋在荷载作用下的变形比较大。所以加载端的滑移量为

S=Sm-δe

(2)

式中：S为加载端的滑移量；Sm为GFRP带肋筋与混凝土未接触段的左、右位置固定两个位移计测得的加载端滑移量；δe为拉拔荷载P作用下，塑料套管段GFRP带肋筋的伸长量为

(3)

式中：Ef为GFRP筋的弹性模量；L为塑料套管段GFRP带肋筋的长度；P为拉拔荷载；Af为GFRP筋的横截面积。

试验分为3组，共90个黏结试件的试验结果如表1。

表1 不同黏结滑移试件的试验结果Table 1 Test results of different bond-slip specimens

(续表1)

试件试验参数及结果肋高度d/%肋间距/mm肋高度/肋间距加载端滑移/mm黏结强度/MPa极限荷载/kN8@12-0.066120.041.51313.4510.828@16-0.066160.031.7712.9410.418@20-0.066200.022.5911.719.428@24-0.066240.024.011.309.098@8-0.04480.041.4812.5610.108@8-0.05580.051.7413.4410.818@8-0.07780.071.3712.4610.028@8-0.08880.081.4213.7011.028@8-0.09980.091.2611.549.2810@5-0.06650.121.5613.0116.3510@10-0.066100.062.3913.9817.5710@15-0.066150.043.3813.2416.6410@25-0.066250.024.4410.4713.1610@30-0.066300.024.6910.6613.4010@10-0.044100.041.7611.7614.7810@10-0.055100.052.2813.4416.8810@10-0.077100.072.5713.6317.1310@10-0.088100.081.8810.2512.8810@10-0.099100.092.2012.8416.1412@6-0.05560.101.369.2416.7212@12-0.055120.052.5111.6721.1212@18-0.055180.034.110.8519.6312@24-0.055240.034.389.4217.0412@12-0.033120.033.358.0814.6312@12-0.044120.043.1210.8619.6512@12-0.066120.062.7413.0123.5312@12-0.077120.072.6810.0918.25

3 GFRP带肋筋黏结破坏

3.1 破坏特征

GFRP带肋筋拉拔试验中大部分黏结滑移试件表现为拔出破坏，同时GFRP带肋筋肋间混凝土被剪坏，其中少部分GFRP筋构件中GFRP带肋筋的横肋表面有轻微磨损并使部分肋间混凝土被剪碎带出，见图5。

图5 横肋被磨损的破坏形式Fig.5 Damaged form of transverse rib

3.2 理论分析

GFRP带肋筋混凝土黏结试件的破坏大多表现为拔出破坏，GFRP筋被周围混凝土很好的限制，同时在GFRP筋达到极限状态被拔出时，混凝土完好无损。主要原因是同黏结试件的尺寸相比，GFRP带肋筋的锚固长度和直径较混凝土黏结构件很小；对于一般的螺纹钢筋等，当钢筋混凝土构件的破坏表现为拔出破坏，虽然钢筋在达到极限状态被拔出的过程中一直被混凝土限制，在钢筋和周围混凝土接触的部分仍然有少量裂缝，说明普通钢筋混凝土构件的黏结强度来自于混凝土的强度。GFRP带肋筋混凝土试件的黏结强度不仅仅受混凝土的约束，还受到GFRP带肋筋横肋参数等的影响。这是GFRP带肋筋混凝土试件的破坏形式与普通钢筋的黏结试验不同的地方。

GFRP带肋筋和混凝土黏结破坏示意如图6。在GFRP筋混凝土构件的拉拔实验中，黏结应力的产生主要为凸肋与周围混凝土之间的机械咬合力。在黏结应力不断增加的过程中，楔块效应逐渐减小，混凝土的破坏界面主要在凸肋部位或者接触混凝土偏下的部分。由于在试验过程中，混凝土的强度等级比较低，随着凸肋间的混凝土被剪碎的过程中，GFRP筋混凝土试块没有出现严重的贯穿裂缝。在试验中可以看到部分构件GFRP筋的横肋表面有细微磨损，这是由一些GFRP筋的表面包有一层抗剪强度非常低的树脂层造成的；GFRP筋在受力过程中，树脂层容易被混凝土剪坏，更易形成黏结破坏界面。

图6 横肋被磨损的破坏形式Fig.6 Damaged form of transverse rib

4 GFRP筋黏结滑移性能影响因素

4.1 GFRP筋直径对黏结性能的影响

由直径不同的GFRP筋绘成的黏结滑移曲线如图7。GFRP筋混凝土构件的黏结性能随黏结强度的增大而增大。由于GFRP带肋筋表面包裹一层树脂，因此，GFRP带肋筋与混凝土的黏结破坏主要是由GFRP筋的横肋破坏引起的，GFRP带肋筋表面的树脂层和筋自身的整体工作性能由黏结强度决定的。GFRP带肋筋与混凝土的黏结刚度随滑移量的减小而增大，在混凝土内部开裂之前，GFRP筋混凝土构件的黏结强度和黏结滑移的比值越小，GFRP带肋筋与混凝土构件的协同能力也就越小。

对比表1、图7可知：GFRP带肋筋与混凝土构件的黏结强度随直径的增大而减小，而GFRP筋与混凝土的黏结性能随加载端滑移量的增大而减小。GFRP筋与混凝土之间的黏结力主要与黏结面积成正比，因此，GFRP带肋筋混凝土构件在试验过程中存在剪力滞后的规律。而GFRP带肋筋的剪切强度主要控制因素为树脂层、树脂层与筋中纤维接触面的剪切刚度。

图7 GFRP带肋筋的黏结强度Fig.7 Bond strength of GFRP ribbed bar

GFRP带肋筋在外力作用下被拔出时，会产生一种名义应力。不均匀的名义应力主要是通过GFRP筋表面横肋中的纤维与核心纤维的不同作用形式在GFRP带肋筋的横截面产生的，名义应力的方向和位置见图8。这种剪力滞后的现象会导致GFRP带肋筋横截面名义应力增大，同时σmax对GFRP带肋筋的黏结强度的控制作用增强。因此，计算得到的平均应力σave随着σmax增大而变小。该现象主要说明直径对GFRP筋黏结性能的作用效果，而且直径越大GFRP带肋筋的作用效果更明显。由图8可知，GFRP带肋筋的直径越大，黏结强度反而减小，因此提高GFRP筋混凝土构件的黏结强度需要降低剪力滞后现象的出现。在GFRP筋的实际应用中，一定要把GFRP带肋筋混凝土梁中的GFRP配筋控制在一定的范围内。

图8 GFRP 带肋筋截面应力分布Fig.8 Stress distribution of GFRP ribbed bar cross-section

4.2 GFRP筋肋间距对黏结性能的影响

不同肋间距的GFRP带肋筋，其黏结性能也不同，见下图9。

图9 GFRP筋肋间距对黏结性能的影响Fig.9 Effect of rib spacing on bond performance of GFRP ribbed bar

如图9(a)，GFRP筋直径为8 mm，GFRP筋的肋间距为8 mm时，黏结强度最大，即为图中GFRP带肋筋肋间距/直径为1；GFRP带肋筋直径为10 mm，GFRP带肋筋的肋间距为10 mm时，黏结强度最大，即为图中GFRP带肋筋肋间距/直径为1；GFRP带肋筋直径为12 mm，GFRP带肋筋的肋间距为12 mm时，黏结强度最大，即为图中GFRP带肋筋肋间距/直径为1；得出结论：直径为8、10、12 mm的3种GFRP带肋筋的试验结果较准确，GFRP带肋筋肋间距/直径为1时，GFRP筋的黏结强度最大。

如图9(b)，GFRP筋直径为8 mm，GFRP筋的肋间距为4 mm时，GFRP筋加载端滑移量最小，即为图中GFRP带肋筋肋间距/直径为0.5；GFRP筋直径为10 mm，GFRP筋的肋间距为5 mm时，GFRP筋加载端滑移量最小，即为图中GFRP带肋筋肋间距/直径为0.5；GFRP筋直径为12 mm，GFRP筋的肋间距为6 mm时，GFRP筋加载端滑移量最小，即为图中GFRP带肋筋肋间距/直径为0.5。直径为8、10、12 mm的3种GFRP带肋筋的试验结果较准确，GFRP带肋筋肋间距/直径为0.5时，GFRP筋的加载端滑移量最小。

产生图9现象是由GFRP带肋筋的凸肋与肋间混凝土的楔块效应的不同造成的。如果GFRP筋的肋间距小，肋间混凝土的量也会很少，横肋和肋间的混凝土共同形成的机械咬合力就会很小。如果GFRP带肋筋加载端滑移量很少，肋间混凝土会被剪坏，造成GFRP筋的黏结强度也低。反之，肋间混凝土在GFRP带肋筋的间距过大时也会增多，同时楔块效应也会随着肋间混凝土在GFRP筋拉拔的过程中应力的重分布而减慢，所以GFRP带肋筋的加载端滑移量也较大，在此情况下GFRP带肋筋的黏结强度有所增加，违反了实际工程应用规范。由图9可知，GFRP带肋筋的肋间距为其直径的1倍时，GFRP筋的黏结强度最大，同时GFRP筋加载端的滑移量并不大，相比GFRP带肋筋的肋间距为其直径的0.5倍更有优势，所以建议GFRP带肋筋的最佳肋间距/直径为1。

4.3 GFRP筋肋高度对黏结性能的影响

不同肋高度的GFRP带肋筋，其黏结性能也不同，见图10。

图10 肋高度对GFRP筋黏结性能影响Fig.10 Effect of rib height on bond performance of GFRP ribbed bar

如图10(a)，GFRP筋直径为8 mm，GFRP筋的肋高度为0.48 mm时，黏结强度最大，即为图中GFRP带肋筋肋高度/直径为0.06；GFRP带肋筋直径为10 mm，GFRP带肋筋的肋高度为0.6 mm时，黏结强度最大，即为图中GFRP带肋筋肋高度/直径为0.06；GFRP带肋筋直径为12 mm，GFRP带肋筋的肋高度为0.72 mm时，黏结强度最大，即为图中GFRP带肋筋肋间距/直径为0.06；得出结论：直径为8、10、12 mm的3种GFRP带肋筋的试验结果较准确，GFRP带肋筋肋高度/直径为0.06时，GFRP筋的黏结强度最大。如图10(b)，直径为8、10、12 mm的3种GFRP带肋筋的加载端滑移量随肋高度的变化不明显。

产生图10现象是由GFRP带肋筋的凸肋与肋间混凝土的楔块效应的不同造成的。如果GFRP筋的肋高度过小，肋间混凝土的量也会很少，横肋和肋间的混凝土共同形成的机械咬合力就会很小；如果GFRP筋的肋高度过大，凸肋和混凝土的接触面积会增大，机械咬合力也会不断增大；进而造成凸肋表面的损耗，GFRP筋黏结强度降低，同时肋间混凝土也会随GFRP筋体流出。由于3种不同直径的GFRP带肋筋的肋间距相同，肋间混凝土的应力重分布基本相同，所以肋高度对GFRP带肋筋加载端滑移的影响可以忽略。GFRP带肋筋肋高度/直径为0.06时，GFRP筋的黏结强度最大且带肋筋的加载端滑移量随肋高度的变化不明显。所以建议GFRP带肋筋的最佳肋高度/直径为0.06。

5 黏结滑移本构关系模型验证

5.1 黏结滑移曲线

由该实验绘出GFRP带肋筋与混凝土的黏结-滑移曲线见图11。由τ-s曲线可以清楚地把GFRP带肋筋的黏结滑移曲线分为4个过程段：微滑移阶段、滑移阶段、下降阶段和残余阶段。

图11 GFRP带肋筋黏结-滑移曲线Fig.11 Typical bond-slip curves of GFRP ribbed bar

1)微滑移阶段：在GFRP带肋筋初始加载时，以GFRP带肋筋和混凝土的黏结力为主，加载端的滑移量非常小，GFRP筋黏结滑移曲线属于弹性阶段。

2)滑移阶段：GFRP带肋筋混凝土构件在加载端周围的胶着力逐渐消失，该受力端慢慢产生滑移现象。在继续受力的过程中，胶着力消失，GFRP带肋筋的黏结力主要由GFRP筋和混凝土之间的咬合力、摩擦力提供，黏结滑移曲线开始进入非线性阶段。GFRP带肋筋与混凝土之间的黏结强度随着GFRP筋的凸肋和混凝土之间的咬合力产生的楔块效应而得到快速增加。在GFRP筋混凝土构件黏结强度接近达到极限黏结强度时，黏结构件的滑移量加快，黏结滑移曲线的斜率接近为0。

3)下降阶段：达到极限黏结强度后，黏结滑移曲线开始进入下降阶段。在该阶段GFRP带肋筋凸肋周围的混凝土部分被剪坏，凸肋和混凝土接触部分的咬合力减小，GFRP带肋筋受到混凝土的包裹力也会降低且少许凸肋已有细微磨损，由于GFRP带肋筋与混凝土的黏结力减小而滑移量迅速增加，黏结滑移曲线近似于直线下降状态。

4)残余阶段：黏结强度大部分来自GFRP带肋筋和混凝土之间的摩擦力。由图可知，残余阶段的曲线主要有两种形式。如果GFRP带肋筋的肋间距/筋直径大于1，GFRP带肋筋的黏结强度随黏结滑移量的增加维持在固定值。如果GFRP带肋筋的肋间距/筋直径为0.5，GFRP带肋筋的黏结强度随滑移量的增加出现依次递减现象。

5.2 黏结-滑移本构关系模型

如图12中0～1段为微滑移阶段，在该范围内黏结滑移曲线为上升形式；1～2段为滑移阶段，在该范围内黏结滑移曲线为非线性形式；2～3段为下降阶段，在该范围内黏结滑移曲线近似为直线形式；3～4段为残余阶段，由于GFRP筋肋间距的不同在该范围内黏结滑移曲线有两种形式；图12中1点、2点、3点分别为不同阶段的临界点。

图12 GFRP筋黏结滑移本构关系模型Fig.12 Bond-slip constitutive model of GFRP ribbed bar

GFRP筋和混凝土黏结滑移模型为：

微滑移阶段：

(4)

滑移阶段：

(5)

下降阶段：

(6)

残余阶段：

τ=τ3-γ[e-ξw(s-s3)cosw(s-s3)-1]+ρ(e-ξw(s-s3)-1)，S>S3

(7)

式中：τ1、τ2、τ3分别为图12微滑移段、滑移段、下降段对应的黏结强度；α、β、γ、ξ、ω、ρ分别为试验过程中的参数；S1、S2、S3分别为图12微滑移段、滑移段、下降段对应的加载端滑移量。

5.3 模型验证

由试验结果可知，式(4)～式(7)表示的黏结滑移模型与构件的实验数据比较接近，可以较全面地体现出GFRP带肋筋在试验中的整个受力过程中。式(4)～式(7)本构关系模型和4个GFRP带肋筋黏结试件的黏结试验曲线为例进行对比。临界点1点、2点、3点处模型中各参数的拟合值及实验数据见表2～表3。

将表2～表3中的数据代入式(4)～式(7)中，得到各个GFRP筋混凝土构件的黏结-滑移模拟曲线。各组τ-s试验曲线与相应拟合曲线的黏结强度随加载端滑移量变化对比如图13。

表2 实验数据Table 2 Test data

图13 黏结滑移试验曲线与拟合曲线对比Fig.13 Comparison between τ-s test curves and fitting curves

由图13可知，黏结滑移试验曲线和式(3)的拟合曲线可以很好的吻合，比较好地表达出GFRP带肋筋的受力全过程。但是，需要进行更多的试验对模型的精确程度进行验。

6 结 论

主要分析了30种不同参数的GFRP带肋筋与混凝土的黏结滑移性能、拉拔构件中GFRP带肋筋的受力过程等，采用控制变量的方法研究肋参数的变化对GFRP筋混凝土的黏结性能影响，并对试验结果进行整理、分析，主要结论如下：

1)GFRP带肋筋混凝土试件的破坏形式为拔出破坏，其中凸肋间的混凝土大部分被破坏，部分横肋的表面有轻微损耗。

2)GFRP带肋筋与混凝土之间的黏结强度主要影响因素为GFRP带肋筋表面凸肋与混凝土的胶着力、咬合力。而摩擦力对其影响很小，所以GFRP带肋筋混凝土构件的黏结性能明显加强。

3)在GFRP带肋筋混凝土构件的拉拔试验中会出现筋的剪切滞后现象，GFRP带肋筋的黏结强度随筋直径的增大而减小。同时在凸肋和混凝土之间发生楔块效应，GFRP带肋筋凸肋的参数，如肋间距、肋高度等都对GFRP带肋筋的黏结性能有很大影响。

4)GFRP筋的最佳肋间距/直径为应取为1；GFRP带肋筋的最佳肋高度/直径为0.06，对以后GFRP带肋筋的生产及实际应用提供参考依据。

5)根据实验数据建立的黏结-滑移本构关系模型形式精简，与试验数据比较吻合，能较好地描述GFRP带肋筋在拉拔时的受力全过程，优于已有的黏结滑移模型。

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