GFRP混凝土梁抗弯性能研究

王 冰 李竹青

(1.济南军区善后办综合局，山东 济南 250022； 2.洛阳市规划建筑设计研究院有限公司，河南 洛阳 471000)

1 概述

从材料科学和结构力学来讲，采用组合结构是提高结构构件力学性能的有效途径。大量试验研究表明，GFRP—混凝土组合结构具有自重轻、耐久性好及承载力高等优良性能，该组合结构在工程实践中已得到了较多应用。胡瑞，汪剑辉，顔海春等[1]对GFRP杆进行了准静态抗压性能和冲击性能试验，得到的GFRP材料的动力提高系数高达1.58。吴庆锋，刘华新[2]开展的BFRP筋再生混凝土梁挠度试验研究表明，BFRP筋混凝土梁的挠度比钢筋混凝土梁的挠度大，但延性要差。张卫东，王振波，王成武[3]对GFRP筋与再生混凝土粘结性能的试验研究得出，由于剪力滞后的影响平均粘结强度随GFRP筋直径的增大而下降。冯鹏，王杰，张枭等[4]提出了一种面向海洋的新型FRP海砂混凝土组合结构，为海砂混凝土与FRP在工程中的应用提供了新思路。李耘宇，王言磊，欧进萍[5]提出了一种新型GFRP/钢—混凝土组合梁，研究了复合钢板对GFRP—混凝土组合梁性能的影响，结果表明，复合钢板后，GFRP—混凝土组合梁的性能得到了大幅提升。FRP—混凝土组合结构中的FRP材料与混凝土具有极强的互补性，二者组合能够扬长避短，优势互补，可最大限度地发挥两种材料的优势。因此，既要充分利用FRP材料的优良性能，同时又要满足两者之间的变形协调，是该组合结构需要解决的问题。鉴于此，本试验结合课题“纤维增强复合材料人防工程防护门研制”中的研究内容，以研制的防护门的尺寸设计和受力筋配置为参考，以GFRP型材为主要受力筋制作了GFRP混凝土梁，并对其进行了相关力学性能试验研究。

2 试验概况

2.1 组合梁有关参数

本试验是“纤维增强材料人防工程防护门研制”课题的静力性能试验部分，所研制的防护门尺寸为：长×宽×厚=2 800 mm×3 000 mm×130 mm。为了模拟门板的受力性能，缩短试验时间与节约经费，将门板简化为梁进行试验。除宽度外，梁的尺寸设计、受力筋配置及混凝土强度等与防护门的一致。采用五分点加载以模拟防护门承受的冲击波均布等效荷载。

1)尺寸：长×宽×高=2 800 mm×150 mm×130 mm。2)配筋：纵筋与箍筋作为骨架，采用Φ8的二级钢筋，GFRP工字型材为主受力筋。3)梁分组：梁共3组，每组3根。第一组，梁1～梁3，混凝土强度等级C40，箍筋Φ8@100；第二组，梁4～梁6，混凝土强度等级C50，箍筋Φ8@150；第三组，梁7～梁9，混凝土强度等级C60，箍筋Φ8@200。试验梁各参数如图1所示。4)材料参数：组合梁主要材料参数见表1。

表1 组合梁材料参数

参数抗拉强度/MPa抗压强度/MPa弹性模量/GPaGFRP80353028.2钢筋Ⅰ级221221213.3Ⅱ级325325202.5混凝土C4042.233.5C5052.935.5C6064.236.5

2.2 加载与量测

1)加载装置：采用500 kN千斤顶，两级分配梁，五分点加载模拟均布荷载。两支座间距2 500 mm，相邻加载点间距500 mm。

2)量测：a.应变：共布置6个应变点测量GFRP型材应变，梁上表面跨中布置1个受压测点，梁下表面均布5个受拉测点；b.跨中位移：梁下部跨中及两侧各500 mm处共布置3个位移测点。

3 试验结果与分析

3.1 典型破坏特征

组合梁的破坏是由于压区混凝土抗压强度的耗尽而GFRP型材受拉变形较大引起的。混凝土是弹塑性材料，其抗拉强度约为抗压强度的1/10，在较小的拉伸变形下即出现裂缝，当应力超过一定限度时将出现塑性变形。破坏前裂缝显著开展，上部压区混凝土产生很大局部变形，形成塑性变形区域，最后随着压区混凝土的压碎而破坏。图1为试验梁的局部破坏图。试验过程中，当加载至20 kN时开始出现初始裂缝；加载至60 kN时，竖向裂缝向上扩展至梁高的1/2，这时主要为竖向裂缝，基本没有斜裂缝出现；加载至90 kN时，箍筋间距为100 mm的梁，主要为竖向裂缝(见图1a))，箍筋间距200 mm的梁，出现少量斜裂缝；加载至100 kN时，竖向裂缝发展到梁高的3/4，跨中上部压区混凝土发生剥离(见图1c))。箍筋间距为200 mm的梁，斜裂缝继续发展，梁高1/2下部出现水平裂缝(见图1d))；加载至120 kN时，裂缝快速增长，梁上表面混凝土被压碎，跨中位移迅速增大，最大值为12.45 mm(见图1b)，图1d))。此时承载力不再增加，梁达到极限承载力。GFRP型材虽产生很大变形但并未发生断裂。

3.2 试验结果曲线

图2为试验结果曲线。

3.3 试验结果分析

1)梁加载至破坏荷载50%(约60 kN)之前，荷载—挠度曲线近似于线性关系；继续加载，挠度增加加快，荷载—挠度曲线呈非线性变化，如图2a)所示。同样，荷载—裂缝及荷载—应变之间也呈现类似变化趋势，如图2b)，图2c)所示。2)混凝土强度等级的影响：混凝土强度等级对梁的极限承载力影响不明显。梁1～梁3的混凝土强度等级为C40，平均极限承载力为117.5 kN；梁4～梁6的混凝土强度等级为C50，平均极限承载力为115.0 kN，梁7～梁9混凝土强度等级为C60，平均极限承载力为111.3 kN。三组梁的极限承载力平均为114.6 kN，见图2d)～图2f)。3)箍筋间距的影响：箍筋间距对梁的承载力影响不明显，同强度条件下箍筋间距大的比间距小的承载力稍低，但箍筋间距对梁的破坏形态有明显影响。当箍筋间距为100 mm时，主要是垂直裂缝，基本没有斜裂缝出现。当箍筋间距为200 mm时，梁支承处出现斜向裂缝。至接近极限荷载时，梁下部或支座附近会出现明显的水平滑移裂缝。4)GFRP型材与混凝土的粘结性能：当加载至约100 kN时，梁发出间断清脆的“嘣嘣”声，继续加载，该声音频率加快，接近极限荷载时该声音连续发出，GFRP型材与混凝土之间局部发生粘结破坏。砸开后发现，GFRP型材没有发生断裂，翼缘完好，仅腹板中部局部出现单条连续裂缝。5)挠度值及变形恢复情况：梁混凝土上表面发生剥离时，跨中挠度均值为7.61 mm，远小于规范对混凝土构件挠度变形的允许值L/200=12.5 mm；达到极限荷载时，跨中挠度均值为12.45 mm，小于规范允许值的12.5 mm，满足变形要求；连续加载至梁上部混凝土破坏然后卸载，绝大部分变形可以恢复，仅有少量的残余变形，表明连续加载和快速卸载时，GFRP混凝土梁具有很好的变形恢复能力。与钢筋混凝土适筋梁的受力性能相对比，之所以出现2)，3)项的试验结果，是因为GFRP型材抗拉强度较高，而当试验梁破坏时型材尚未达到屈服极限有关。可以通过提高压区混凝土强度或增加压区配筋的方法优化组合结构的受力性能。

4 结语

1)GFRP混凝土梁早期受力阶段，载荷—挠度曲线基本呈线性关系，荷载加至大于60 kN时，位移的增大加快，载荷—挠度曲线呈非线性变化。2)GFRP受力筋与混凝土粘结性能良好，能够协同工作，共同受力。GFRP型材、钢筋骨架与混凝土相互约束，协同工作，既保证了GFRP型材较高比强度的发挥，也提高了混凝土的性能。3)混凝土强度等级对GFRP混凝土梁的极限承载力影响不明显，梁的极限承载力均值为114.6 kN；箍筋间距对梁的极限承载力影响较小，同强度条件下箍筋间距大的承载力比间距小的稍低，但箍筋间距对梁的破坏形态有明显影响。4)GFRP混凝土梁的受力性能良好，当组合梁达到极限荷载时，型材没有发生断裂破坏，仅腹板中部局部产生水平剪切裂缝；GFRP混凝土梁具有很好的变形恢复能力；达到极限荷载时，组合梁变形满足规范要求。为了充分发挥GFRP型材的高抗拉性能，可以采取提高压区混凝土强度或增加压区配筋的措施。