有效高度对GFRP筋混凝土板冲切性能的影响

周欣竹,陈 浩,吴 熙,范兴朗,向华伟

(1.浙江工业大学 土木工程学院,浙江 杭州 310023;2.浙大城市学院 工程学院,浙江 杭州 310015;3.中冶检测认证有限公司 核电风电事业部,北京 100088)

钢筋混凝土板是水工、港口工程中应用最广泛的构件。由于长期处于腐蚀性环境中,混凝土板内部钢筋易发生锈蚀,从而降低力学性能、缩短使用寿命。因此,采用抗腐蚀性能优越的玻璃纤维增强聚合物(GFRP)材料来代替混凝土中的钢筋,对于提高结构耐久性具有重要意义[1-2]。自20世纪80年代中期以来,各国在纤维增强聚合物(Fiber reinforced polymer,FRP)筋混凝土板的理论和试验研究方面均取得了丰硕的成果。Elghandour等[3]对FRP筋混凝土板进行冲切破坏试验,通过分析试验数据,采用应变法对ACI 318规范[4]中FRP筋的轴向刚度进行修正,提出了关于FRP筋混凝土试验板冲切承载力计算模型;Matthys等[5]对集中荷载作用下单向弯曲的FRP筋混凝土试验板的力学性能进行了试验,发现抗冲切承载力与抗弯刚度相近的钢筋混凝土板基本一致;Ei-Gamal等[6]通过试验调查了筋材类型、配筋率、FRP筋抗弯刚度以及FRP筋试验板边缘约束对板冲切承载力的影响,并对ACI 318规范[4]中冲切承载力公式进行了进一步的修正;朱海堂等[7]基于试验分析了混凝土强度、FRP筋配筋率和板边长比等因素对板中心荷载与挠度关系曲线的影响,结果表明,在给定荷载作用下,随着板的边长比、混凝土强度及FRP筋配筋率的增大,试验板中心的挠度也相应增大;张亚坤等[8]通过试验研究了玄武岩纤维增强塑料(BFRP)筋配筋率、加载位置等因素对混凝土试验板冲切承载力的影响,结果表明,集中荷载作用于板中心的抗冲切承载力要低于偏心荷载下板的抗冲切承载力,BFRP筋的配筋率对试验板的抗冲切承载力和抗裂性影响不大。

目前,FRP筋混凝土板冲切承载力的影响因素主要涉及混凝土强度、FRP筋配筋率、板边长比以及筋材类型,而有效高度作为影响FRP筋混凝土板冲切承载力的主要因素之一[9-14],并未受到足够的重视。有效高度对GFRP筋混凝土板的破坏模式和冲切性能均有影响,为获得上述因素间的定量关系,笔者采用试验方法,设计不同板厚的GFRP筋混凝土板试件,通过分析试件破坏形式、荷载—变形曲线及GFRP筋应变与混凝土应变的关系,分析有效高度对GFRP筋混凝土板冲切性能的影响,为更准确地计算GFRP筋混凝土板冲切承载力提供参考。

1 试验概况

1.1 试验材料

试验材料采用的是商品混凝土,其强度如表1所示。GFRP筋直径为12 mm,其基本性能参数如表2所示。

表1 混凝土强度指标

表2 GFRP筋基本参数

1.2 试件参数

试验共制作3块GFRP筋混凝土方形板,边长均为1 500 mm,试验板高度分别为180,150,120 mm,方板中GFRP筋设置为单层且双向的形式。在试验板中心区域设置了正方形的截面短柱,边长为300 mm,高为300 mm。为保证短柱在加载过程中不被破坏,在短柱内部设置了8根直径为14 mm的纵配筋,纵配筋类型为HRB400;设置了直径为8 mm,间距为100 mm的横配筋,横配筋类型为HPB300;短柱的保护层厚度为20 mm。试件参数如表3所示,其尺寸以及配筋的布置方式如图1所示(以试件A30-1为例)。

图1 试件尺寸和配筋

表3 GFRP筋混凝土板设计参数

1.3 测点布置和试验方法

试验运用静态数据采集仪来收集数据,每过3～5 min,拍照记录试件的裂缝和整体变化情况。位移测点的布置如图2所示,该测点的竖向挠度由位移传感器记录并安装在试件板受压面处。

图2 位移测点

混凝土和GFRP筋应变测点分别如图3,4所示,测点处的应变分别通过安装在混凝土板受压面的应变器及安装在GFRP筋上的应变器监测得到。试验使用微机控制的电液伺服多功能试验机,参考混凝土结构设计规范[9],加载模式采用力—位移混合控制,试验装置如图5所示。试验板柱头朝上,下方对称放置8个直径为100 mm的圆形钢棒支座,支座中心与试验板最外边相距100 mm,支座下方安装了近1 m高的钢框架,以方便在加载过程中很好地观察和记录GFRP筋混凝土板底的裂缝变化情况。

图3 混凝土应变测点

图4 GFRP筋应变测点

图5 试验装置

2 GFRP筋混凝土方板试验结果及分析

2.1 板的破坏特征

试件A30-1的破坏形态如图6所示:当施加的力达到22 kN时,试件A30-1开始出现纵向裂缝,此时板中心的竖向挠度为0.30 mm;当施加的力达到130 kN时,试件出现了明显且完整的环向裂缝;当施加的力达到155 kN时,试件竖向挠度增加明显,随后试件转为位移加载模式;当荷载最后增加至191 kN时,试验板发生破坏,相对应板中心的竖向挠度为17.49 mm。

图6 A30-1的裂缝

试件A30-2的破坏形态如图7所示:当施加的力达到50 kN时,试件A30-2开始出现纵向裂缝,此时板中心的竖向挠度为0.50 mm;当施加的力达到175 kN时,试件出现了明显且完整的环向裂缝;当施加的力达到225 kN时,试件竖向挠度增加明显,随后试件转为位移加载模式;当荷载最后增加至289 kN时,试验板发生破坏,相对应板中心的竖向挠度为15.01 mm。

图7 A30-2的裂缝

试件A30-3的破坏形态如图8所示:当施加的力达到80 kN时,试件A30-3开始出现纵向裂缝,此时板中心的竖向挠度为0.55 mm;当施加的力达到255 kN时,试件出现了明显且完整的环向裂缝;当施加的力达到305 kN时,试件竖向挠度增加明显,随后试件转为位移加载模式;当荷载最后增加至413 kN时,试验板发生破坏,相对应板中心的竖向挠度为15.87 mm。

图6～8显示了试件A30-1至试件A30-3破坏时的裂缝分布形式。由图6～8可知:板底纵向裂缝以加载面混凝土正下方为中心向板四周辐射到板端,在环向裂缝周围可以看到混凝土有明显的剥落现象。对比试件A30-1,A30-2,A30-3环向裂缝可以发现:试件A30-3形成的环向裂缝最大,试件A30-2次之,试件A30-1最小;随着有效高度的增加,板底环向裂缝宽度越大,板底混凝土剥落面积越大。

2.2 GFRP筋应变

各试件内部GFRP筋在不同测点处的荷载—应变曲线如图9所示。图9中:G1,G2,G3,G4分别表示GFRP筋在图4中测点1,2,3,4处对应的应变曲线。在初始加载阶段,GFRP筋荷载与应变的关系曲线遵循着线性增长规律。当加载至试件开裂时,试件发生了应力重分布现象,裂缝处的混凝土不再参与受力,取而代之的是裂缝处的GFRP筋开始受力。随着荷载的持续增大,试件受拉面的裂缝开始向板边缘延伸,各试件不同测点处的GFRP筋应变也随之增大,可以发现越是靠近柱头区域的测点,GFRP筋应变增加速率相对越大。当试件A30-1和A30-3施加的荷载分别接近其极限荷载时,试件A30-1中的G2和试件A30-3中的G1会出现应变回缩的现象,这表明试件从力切换到位移加载阶段后,内部GFRP筋发生了应变重分布。对比试件A30-1,A30-2,A30-3的GFRP筋应变曲线发现:在相同荷载的作用下A30-1的纵筋应变最大,A30-2的纵筋应变次之,A30-3的纵筋应变最小,即有效高度和GFRP筋的应变成反比例关系。

2.3 混凝土应变

在中心荷载的作用下,柱头周围不同测点处混凝土的荷载—应变关系如图10所示。图10中:C1,C2,C3,C7,C8分别表示混凝土在图3中测点1,2,3,7,8处对应的应变曲线。在加载初期,各测点处混凝土的压应变随着荷载的增大而增大,并且符合线性增长的规律。当试件出现裂缝后,越靠近柱头区域的测点,其混凝土的压应变增长速率越大。随着荷载的持续施加,各试件不同测点处的混凝土应变越大,其中测点1处的混凝土应变明显下降,这是因为越靠近柱头区域,试验板所受的压应力越大,压应变也随之增大,而远离柱头区域混凝土压应力变小,压应变也会越来越小。当施加的荷载值快要达到试件的极限荷载时,部分试件测点的混凝土荷载—压应变曲线出现明显的应变回缩现象,这表明混凝土发生了应变重分布,与2.2节GFRP筋发生现象一致。

图10 柱周混凝土荷载—应变曲线

因为距离柱头区域较远的混凝土应变很小,不具有代表性,所以将各试件测点1的曲线进行汇总,结果如图11所示。由图11可知:在相同荷载水平下,试件A30-1混凝土压应变最大,试件A30-2混凝土压应变次之,试件A30-3混凝土压应变最小,即有效高度和混凝土压应变成反比例关系。

图11 不同有效高度时测点1的混凝土荷载—应变曲线

2.4 板中心荷载—挠度曲线

试件载荷与挠度关系曲线可以反映其延展性和能耗能力,从而指导结构设计。通过对板中心施加集中载荷并记录不同载荷下试验板竖向挠度的数据,可以结合试件失效破坏模式总结试件失效类型,常见的失效类型[15-16]分为弯曲破坏、弯冲破坏和冲切破坏。

弯曲破坏可以看作理想的延性失效破坏。当试验板承受极限荷载时,试件中的裂缝数量少且宽,并伴随着较大的弯曲变形。位于主裂缝处的受力筋发生了屈服,当屈服筋所在区域形成塑性铰线破坏机制时,试件发生弯曲破坏,在荷载—中心挠度曲线上可以看到比较明显的水平线段。

弯冲破坏是试验板中最为常见的失效类型,处于弯曲破坏和冲切破坏两种失效类型之间。在即将达到极限承载力之前,试件具有一定的竖向挠度变形,虽然试件受拉内侧位于柱头区域的纵筋已经发生屈服,但远离柱头区域的纵筋并未发生屈服,直到试验板被破坏时仍未形成塑性绞线破坏机制。

冲切破坏可以看作理想的钢塑性破坏。直到冲切破坏时试验板的变形依旧很小,板内的受拉筋均未发生屈服,试件在弯曲和剪力共同作用下,柱头伴随着冲切锥体从板内冲出。由于试件破坏发生得突然,看不到明显的弯曲变形,属于脆性破坏。根据上述失效特征,将板的失效类型及特征进行总结归纳,如表4所示。

表4 GFRP筋混凝土板的破坏形式及特征

根据试验板所获得的数据,可得到试件中心荷载与挠度的关系曲线,如图12所示。在试验板发生破坏之前,可以将图12中的曲线看作两段不同斜率的直线相连接。第一条直线从0 kN开始延伸至各试件的开裂荷载处,第二条直线从第一条直线的末端开始延伸至各试件的极限荷载处。其中试件本身的刚度决定了第一条直线的斜率,所有板均满足该规律。两条直线的相交点对应于试件开裂荷载处,此时因为试件底部出现裂缝从而减小了截面有效惯性矩,所以第二条直线的斜率要小于第一条直线。

图12 GFRP筋混凝土板的荷载—挠度曲线

2.5 试验板冲切破坏角情况

试验结束后,将试验板沿方柱侧边方向切开,如图13所示。观察发现:试件冲切破坏角随着远离方柱的方向而趋于平缓,同时,两个方向不是完全对称的。经测量仪器测定,从板底部冲孔锥形成的明显环形裂纹到柱头侧面的水平距离l为1.3h0～3.5h0,其中h0为板的有效高度。目前,我国FRP筋混凝土板方向的结构工程仍执行《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010),不区分基础板和楼板,并对冲切角作了统一规定(取45°)。

图13 试件冲切破坏面

2.6 冲切破坏试验结果

将冲切破坏试验的主要数据结果进行汇总,结果如表5所示。表5中:Vcr为试件的开裂荷载;δcr为试验板开裂荷载所对应的竖向挠度;Vp为试件极限荷载;δ为板中心极限荷载所对应的竖向挠度;Vres为试验板的残余承载力;δres为试验板残余承载力所对应的竖向挠度;lcone为试件底部冲孔锥形成的明显环形裂纹到柱头侧面的水平距离的平均值;α为试验板冲切破坏角。

表5 GFRP筋混凝土板的主要试验结果

2.7 有效高度参数分析

图14为不同有效高度试件的荷载—挠度曲线。由图14可知:1) 在加载初期,可以将试件看作弹性材料,荷载与挠度大致呈线性关系。当载荷增加至极限荷载的11%～21%时,对应于板的开裂荷载,此时曲线出现转折点,试件受拉底面靠近柱头区域出现了细微的裂缝。随着荷载的不断增加,试件受拉面的裂缝逐渐向周围的支座或板角扩散。当施加的荷载逐渐靠近极限荷载时,曲线趋于平缓,虽然此时试验板受拉底面的裂缝数量基本稳定,但板底各裂缝的宽度在逐渐增大。当试件承受极限承载力时,试验板突然发生了冲切破坏,试验板退出工作的瞬间,其内部裂缝互相交叉贯通形成了冲切锥体,在外力荷载作用下连同方柱一起被冲脱出。2) 在相同荷载水平下,板A30-1的挠度最大,板A30-2的挠度次之,板A30-3的挠度最小,由此可见,增大有效高度可以提高板的刚度。3) 达到极限荷载时,板A30-2挠度为15.01 mm,而板A30-3的挠度也仅为15.87 mm,因此,一味增大有效高度并不能有效减小板的极限挠度值。

图14 不同有效高度板的荷载—挠度曲线

将不同有效高度试验板的承载力进行比较,结果如图15所示。图15中纵坐标表示以A30-1承载力为分母的无量纲化承载力。由图15可知:增加有效高度能够明显提升试验板抗冲切承载力,当有效高度增大23%和57%时,开裂荷载分别提高127%和264%,抗冲切承载力分别提高51%和116%,大致呈线性增长趋势。结合图13,14,增大有效高度在一定程度上会减小冲切破坏角和挠度,这主要是因为增加有效高度减小了冲垮比(延性降低)、增大了截面抵抗矩(刚度提高)。

图15 有效高度分别为88,108,138 mm板的性能比较

3 结 论

采用试验方法研究了不同有效高度对GFRP筋混凝土板力学性能的影响。试验中,通过在板中心施加集中荷载,确定了3块不同高度试验板在载荷作用下的中心挠度、开裂荷载和极限荷载等行为。通过研究得到:1) 可采用受拉GFRP筋是否达到极限应变作为试件失效破坏的判断标准,从试验结果看,3块GFRP筋混凝土板在集中荷载的作用下均未达到极限应变值,均被冲切破坏;2) GFRP筋混凝土板的极限承载力随着有效高度的增大而提高,当有效高度分别增加23%和57%时,抗冲切承载力分别提高51%和116%,大致呈线性增长的趋势;3) 增大有效高度在一定程度上可以减小冲切破坏角和挠度;4) 随着有效高度的增大,GFRP筋和混凝土受压一侧的应变减小,与有效高度成反比例关系。