玻璃钢(GFRP)-混凝土复合拱试验研究

杨庆国，田 菊，涂志忠，李 亚

(重庆交通大学土木建筑学院，重庆400074)

玻璃钢(GFRP)材料由于强度高、重量轻等特点，常被用来加固旧的混凝土结构，比如旧混凝土拱和石拱桥的加固［1-7］。既然GFRP可以用来加固拱结构而取得良好的效果，那么能否在结构形成之初就利用GFRP的优良性能使其与混凝土拱复合而形成GFRP-混凝土复合拱?若GFRP-混凝土复合拱和混凝土拱相比具有明显的结构性能，那么GFRP-混凝土复合拱作为一种新的结构形式无疑将会带来良好的技术和经济效益。

笔者采用单面、U形、环形以及局部和全拱范围黏贴GFRP的方式，形成了GFRP-混凝土复合拱，并对GFRP-混凝土复合拱进行了荷载试验。通过GFRP-混凝土复合拱和普通混凝土拱的试验结果对比分析，发现GFRP-混凝土复合拱具有更高的开裂荷载、结构刚度和极限承载力。试验表明:GFRP-混凝土复合拱和普通混凝土拱相比，结构性能更加优良。

1 GFRP-混凝土复合拱的制作和加载

1.1 GFRP-混凝土复合拱的设计和制作

试验共制作了7片混凝土拱，每片混凝土拱的尺寸均相同，混凝土拱的尺寸具体见表1。

表1 拱肋尺寸Table 1 The dimensions of arch ribs

试验拱共分为3组。其中第1组拱为普通混凝土拱(不黏贴GFRP)，该片拱作为GFRP-混凝土复合拱的对比。该组仅有一片拱，其编号为1-1。

第2组和第3组各有3片拱，均黏贴GFRP、与混凝土复合形成GFRP-混凝土复合拱。

第2组拱全部采用局部黏贴GFRP的形式。具体黏贴位置是:根据加载和约束条件计算出拱的受拉区域，然后将GFRP黏贴于拱受拉的局部位置。受拉局部位置黏贴时，又采用了3种黏贴形式:第1种只在受拉面上贴一层GFRP材料，试验中将其称为I形黏贴，如图1(a);第2种将受拉面黏贴的GFRP材料延伸到侧面，GFRP半包裹混凝土截面，GFRP本身呈U形，试验中将其称为U形黏贴，如图1(b);第3种将受拉区域全部用GFRP材料包裹，试验中将其称为环形黏贴，如图1(c)。本组试验拱对应的受拉面为:拱的l/8～2l/8和6l/8～7l/8范围的顶面、5l/16～11l/16范围的底面。

图1 黏贴形式Fig.1 Form graph of paste

第3组GFRP-混凝土复合拱是在第2组拱的基础上，将黏贴部位延长，具体的GFRP黏贴的位置是:0～l/4顶面、l/4～3l/4底面和3l/4～l顶面，由于黏贴位置扩展后，顶面和底面黏贴的范围加起来正好是拱的全长，因此该组中的环形黏贴GFRP的复合拱事实上就是整个拱全部黏贴了GFRP。

试验拱的编号及组别情况如表2。

表2 拱肋编号及分组Table 2 The number and grouping of arch ribs

试验拱的材料参数为:混凝土强度设计为C30，实测为33.8 MPa;弹性模量实测为2.64 ×104MPa;GFRP材料极限强度为304 MPa;弹性模量为1.6×104MPa。黏贴玻璃钢的材料是环氧树脂，采用湿黏法黏贴成型。湿黏法能很好地适应工程的应用需求。

1.2 试验加载及测量装置［8］

试验采用手摇千斤顶加载如图2，加载时用荷载传感器控制和读取每级荷载的增加量。为准确掌握各拱肋的开裂荷载，故在开裂前每级荷载增加1 kN，裂缝出现后每级荷载增加2 kN，直到结构破坏。荷载由第1级0开始，逐级加载到极限破坏荷载。每级荷载加载完后，稳压2 min再读数、记录。然后进行下一级加载，直到拱肋破坏以至于不能继续承受荷载。开裂荷载和极限荷载由拱肋上的应变片测量值、拱肋开裂状况、传感器读数和理论计算相结合的方法确定。百分表及应变片布置如图3。

图2 拱肋加载Fig.2 Loading graph of arch ribs

图3 百分表和应变片布置Fig.3 Dial gauges and strain tablets layout

2 试验拱的荷载挠度曲线及分析

将各试验拱实测得到的荷载及挠度数据进行整理，得到图4中各试验拱的荷载-跨中挠度曲线，其中横坐标为跨中挠度值w，0.01 mm;纵坐标为荷载值 P，kN。

图4 各拱肋的荷载挠度曲线Fig.4 The load defection curves of arch ribs

从图4可知，同一种黏贴形式的拱肋荷载挠度曲线基本一致，说明了各拱肋的制作具有同一性，保证了各拱肋数据的关联性及可比性。

从图4看出，在加载初期阶段，普通混凝土拱和GFRP-混凝土复合拱的荷载挠度曲线均呈直线，GFRP-混凝土复合拱荷载挠度曲线的斜率稍大于普通混凝土拱荷载挠度曲线的斜率，说明GFRP-混凝土复合拱的刚度稍大于普通混凝土拱;荷载挠度曲线具有明显不同的转折点，即开裂荷载不同，GFRP-混凝土复合拱的开裂荷载比普通混凝土拱都有所提高。

开裂后，GFRP-混凝土复合拱的荷载挠度曲线斜率减小值明显比普通混凝土拱小，说明GFRP对拱肋开裂后的刚度贡献较大，GFRP-混凝土复合拱的性能明显优于普通混凝土拱;开裂后，GFRP-混凝土复合拱的荷载挠度曲线呈现为较长的直线段，挠度与荷载的增长基本呈线性关系，而普通混凝土拱的荷载挠度曲线却在开裂后出现了多个小平台，其荷载与挠度不再是线性关系;GFRP-混凝土复合拱的荷载挠度曲线明显比普通混凝土拱高和长，说明GFRP-混凝土复合拱的变形能力和极限承载能力优于普通混凝土拱，主要是由于把GFRP黏贴在拱肋易开裂部位，GFRP起到了明显的阻裂增强作用，改善了拱的工作性能，显著提高了拱的变形能力及极限承载力。

综上所述，开裂前GFRP-混凝土复合拱的结构性能与普通混凝土拱基本相同;开裂后，GFRP-混凝土复合拱的刚度、承载力、变形性能及抗裂性能明显优于普通混凝土拱。

3 破坏形式对比分析

试验中对各试验拱的破坏位置及破坏形式进行了记录，将它们整理成表3。

表3 各拱肋破坏状况Table 3 the damaging state of arch ribs

第1组普通混凝土拱破坏位置发生在右加载点附近，拱肋的5l/8。第2组3个GFRP-混凝土复合拱的破坏位置都与普通混凝土拱的破坏位置不同，且都在0～l/8区域内。第3组全长黏贴GFRP-混凝土复合拱破坏位置并没有因黏贴GFRP而发生改变，在普通混凝土拱的理论破坏区域。

第2组中，局部长黏贴GFRP，在拱肋两加载点附近及l/8～2l/8、6l/8～7l/8区域都黏贴了GFRP，由于GFRP具有阻裂增强的作用［9］，使得这些部位的刚度、抗裂性能得到改善，而其它区域的相应性能未得到改善，因而局部长黏贴GFRP拱肋破坏时，破坏位置容易转移到刚度较弱、没有黏贴GFRP及受力不利的位置。

第3组中，全长黏贴GFRP后，GFRP-混凝土复合拱在拱整体长度上每个界面均黏贴有GFRP，由于GFRP具有阻裂增强作用，使得拱各个部位的刚度及抗裂性能都得到了改善，因此破坏位置不发生改变。

4 开裂荷载及极限荷载对比分析

记录试验拱的开裂荷载和极限荷载，对结果进行整理、分析并制成表4。

表4 各拱肋的开裂荷载及极限荷载Table 4 Cracking load and ultimate load comparative table of arch ribs

开裂荷载方面，从表4可知，第1组普通混凝土拱的开裂荷载为23 kN。第2组局部黏贴GFRP的复合拱开裂荷载提高幅度在47.8% ～69.6%。第3组全长黏贴GFRP-混凝土复合拱开裂荷载分别为28，28，32 kN，都比普通混凝土拱大，但其提高程度都不大，其提高幅度为21.7% ～39.1%。这说明全长黏贴GFRP的复合拱开裂荷载提高不明显。得到这样的规律:相同黏贴形式下，局部黏贴GFRP的复合拱开裂荷载比全长黏贴GFRP的复合拱开裂荷载高。

拱肋开裂时，荷载传感器上的荷载读数会突然下降。除Arch 1-1、Arch 2-1、Arch 3-1拱肋在传感器的读数突然下降时观测到了裂缝，且都在右加载点附近，其余拱肋在传感器荷载读数突然下降时都未观测到裂缝，直至破坏时才观测到裂缝。这主要是因为在拱肋易开裂部位及附近大片区域黏贴了GFRP，从拱肋开始出现裂纹到裂纹超出黏贴区域之前都无法观测裂缝发展状况，只能依靠拱肋的荷载挠度曲线和荷载传感器的读数来确定部分拱肋的开裂荷载值。

极限荷载方面，与普通混凝土拱相比，第2组中各GFRP-混凝土复合拱极限荷载提高幅度为65.71% ～140%。第3组中各GFRP-混凝土复合拱的极限荷载提高幅度为71.4% ～142.8%。

对极限荷载的进一步对比分析发现:①环形黏贴的GFRP-混凝土复合拱极限荷载提高最明显，其提高程度分别为140%和142.8%;其次是U形黏贴的GFRP-混凝土复合拱，提高程度分别为108.6%和122.8%;提高程度最小是I形黏贴的GFRP-混凝土复合拱，提高程度分别为68.6%和71.4%，明显小于环形黏贴和U形黏贴。②相同黏贴形式下，全长黏贴的GFRP-混凝土复合拱极限荷载提高程度稍大于局部长黏贴的GFRP-混凝土复合拱。

效果方面，规律①说明环形黏贴最好，U形黏贴其次，I形黏贴最差。规律②说明，在相同黏贴形式下，全长黏贴GFRP拱肋极限荷载的改善并没有优于局部黏贴GFRP拱肋。

5 挠度对比分析

从图4知，局部黏贴GFRP试验拱第2组(Arch 2-1、Arch 2-2、Arch 2-3)破坏时的挠度分别为 5.26，5.78，6.99 mm，明显都大于普通混凝土拱(Arch 1-1)的挠度3.6 mm，即变形大于普通混凝土拱。全长黏贴GFRP试验拱第3组(Arch 3-1，Arch 3-2，Arch 3-3)破坏时的挠度分别为 5.71、7.89、8.67 mm，也都明显大于普通混凝土拱(Arch 1-1)的挠度3.6 mm。挠度对比说明黏贴GFRP后，GFRP起到了阻裂和增强的作用，提高了拱的工作性能，显著提高了拱的变形能力。

全长黏贴GFRP试验拱第3组(Arch 3-1，Arch 3-2，Arch 3-3)破坏时的挠度分别为 5.71，7.89，8.67 mm，大于局部黏贴GFRP拱第2组(Arch 2-1，Arch 2-2，Arch 2-3)破坏时的挠度5.26，5.78，6.99 mm。这说明在黏贴形式相同的条件下，全长黏贴GFRP的复合拱挠度比局部长黏贴GFRP的复合拱挠度都大，即全长黏贴GFRP的复合拱变形性能优于局部黏贴GFRP的复合拱。

从图4可以看出:黏贴长度相同条件下，环形黏贴的GFRP-混凝土复合拱变形能力优于U形黏贴的GFRP-混凝土复合拱，U形黏贴的GFRP-混凝土复合拱变形能力优于I形黏贴的GFRP-混凝土复合拱。

6 结论

1)与普通混凝土拱相比，局部黏贴环形、U形及I形GFRP的复合拱开裂荷载分别提高了69.6%，47.8%，52.2%;全长黏贴环形、U 形及 I形 GFRP 的复合拱开裂荷载分别提高了 39.1%，21.7%，21.7%。

2)与普通混凝土拱相比，局部黏贴环形、U形及I形GFRP的复合拱极限荷载分别提高了140%，108.6%，65.71%;全长黏贴环形、U 形及 I形 GFRP的复合拱极限荷载分别提高了142.8%，122.8%，71.4%。

3)黏贴形式(环形、U形、I形)相同条件下，全长黏贴的GFRP-混凝土复合拱变形能力优于局部黏贴的GFRP-混凝土复合拱;黏贴位置相同条件下，环形黏贴的GFRP-混凝土复合拱变形能力优于U形黏贴的GFRP-混凝土复合拱，U形黏贴的GFRP-混凝土复合拱变形性能优于I形黏贴的GFRP-混凝土复合拱。

4)由于GFRP的阻裂作用，局部黏贴的GFRP-混凝土复合拱破坏位置容易转移到没有黏贴GFRP的位置，而全长黏贴GFRP的复合拱破坏位置不发生这种转移。

5)全长黏贴GFRP的复合拱结构性能要稍优于局部黏贴GFRP的复合拱。

6)其它情况相同条件下，采用环形及U形黏贴GFRP的复合拱结构性能明显优于采用I形黏贴GFRP的复合拱。

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