FRP－混凝土组合桥面板单调静力性能的试验研究

古徐莉，薛伟辰

(同济大学建筑工程系，上海200092)

钢－混凝土组合桥面板充分发挥了钢材和混凝土2种材料的优势，而且施工方便、重量较轻，因此在桥梁结构中应用广泛.但在长期运营情况下，桥面板不仅直接承受轮压荷载，而且还受到环境腐蚀等众多不利因素的影响，容易发生锈蚀、开裂、剥离，甚至坍塌等现象［1］.2003 年统计数据表明［2］，美国的592 000座桥梁中近27%因腐蚀等原因造成功能退化，预计每年用于桥梁的维修改造费达106亿美元.因此，桥梁的耐久性很重要.

FRP(Fiber Reinforced Polymer)具有抗拉强度高、耐腐蚀性好以及可设计性能强等特点.将FRP型材与混凝土板连接形成的FRP－混凝土组合桥面板，不仅具有与钢－混凝土组合桥面板相似的优点，如承载力高、刚度大、施工方便等，还具有轻质、美观、耐腐蚀的特点.FRP－混凝土组合桥面板在人行天桥、应急桥梁、景观桥梁、军事舟桥以及恶劣环境下的桥梁建设中具有广阔的应用前景.

1990年，Hillman等［3］开始研究 FRP－混凝土组合结构.随后，国内外学者相继提出了一些不同形式的FRP－混凝土组合结构，其中主要为组合桥面板.Deskovic［4］于 1995 年提出一种以纤维缠绕GFRP箱梁为主体的FRP－混凝土组合桥面板方案.试验研究表明，这种桥面板表现出一定程度的“伪延性”.Davey［5］开发出一种与钢筋混凝土桥面板成本相当的、面层为GFRP板而夹芯部分采用树脂粉煤灰浆的新型复合材料桥面板.Hulatt等［6］(2003年)采用预浸片材作为主要原料，基于真空袋法熟化工艺制作FRP壳，分别制作了截面为箱形、T形的组合桥面板，并开展了相应的试验研究.研究表明，在荷载作用下，FRP板的力学性能几乎没有退化，而混凝土板的刚度则下降明显.2007年，邓宗才等［7］提出了一种新型FRP－混凝土组合桥面板形式，并给出了其简化失效分析方法.

在FRP－混凝土组合桥面板中，FRP板与混凝土板的有效连接是保证桥面板正常工作的前提［8］，国内外学者对适用于FRP－混凝土组合桥面板的连接方式(FRP开孔板连接、粘接连接、FRP板表面粗糙处理等)进行了研究.Helmueller等［9－10］对采用黏结粗砂粒的连接件进行推出试验研究，Hulatt等［11］对采用环氧胶黏结的试件进行单剪试验研究，Joo等［12］对采用FRP工字梁式连接件的试件进行推出试验研究，试验结果证明了上述连接方式的有效性.

目前，国内外对FRP－混凝土组合桥面板的研究比较少，考虑不同连接方式对组合桥面板受力性能影响的研究几乎是空白.笔者拟对FRP开孔板连接件连接和环氧树脂粘接的FRP－混凝土组合桥面板进行静力加载试验，探讨不同连接方式对组合板破坏形态、承载力、变形、滑移等的影响.

1 试验设计

1.1 试件设计

FRP－混凝土组合桥面板试件2个，编号分别为DS－1和DS－2.其中，试件DS－1由现浇混凝土板、FRP开孔板连接件和FRP板复合而成，试件DS－2由预制加工的混凝土板、FRP板采用环氧树脂连接而成.FRP板则由4块尺寸为260 mm×160 mm×10 mm的FRP箱型板横向拼接形成.试件明细见表1，试件施工情况如图1所示.

DS－1的成型过程为:在FRP开孔板上穿入直径10 mm的横向贯通GFRP筋，随后浇注混凝土，FRP板和FRP开孔板之间采用胶粘剂连接，黏结面进行打磨处理.DS－2的成型过程为:保持FRP板和混凝土板黏结面干燥、平整，然后涂胶，自然加压，待树脂固化完全后即可成型.

表1 FRP－混凝土组合桥面板试件明细表

图1 试件施工图

混凝土强度等级为C50，配合比如下:P·II52.5水泥∶粉煤灰∶黄沙∶石子(5～25)∶高效外加剂∶水=370∶30∶655∶1 065∶4.44∶170.其立方体试块抗压强度为50.7 MPa，抗拉强度为 3.4 MPa，弹性模量为35.1 GPa.试验用FRP材料中，FRP板翼缘纵向抗拉强度实测值为585.9 MPa，弹性模量为41.4 GPa;FRP板腹板、FRP开孔板的抗剪强度实测值分别为297.1 MPa，103.5 MPa.FRP 筋 的 抗 拉 强 度 为664.0 MPa，弹性模量为 42.3 GPa.试件中所用的环氧树脂配胶比为:6101环氧树脂∶650聚酰胺树脂=1∶0.8.

1.2 加载方案

试验采用1 000 kN液压千斤顶通过分配梁对试件施加2点对称荷载.正式试验开始前先进行预加载，以检验试验装置的可靠性.荷载采用分级加载方式，每级荷载20 kN，直至试件破坏.每级荷载施加后观察混凝土有无裂缝出现、有无纤维断裂，并记录裂缝发展过程.试验加载装置如图2所示.

1.3 量测内容

主要量测内容包括以下方面:①荷载及支座反力;②组合桥面板跨中挠度;③混凝土板裂缝发展情况;④跨中截面混凝土应变和FRP板应变;⑤FRP板与混凝土板的滑移.

2 试验结果

2.1 受力过程和破坏形态

加载初期，FRP板和混凝土板共同工作，荷载－跨中挠度曲线呈线性，混凝土板未开裂.

图2 加载装置

当荷载达到0.65倍极限荷载(Pu)时，试件DS－1在纯弯段的混凝土板底出现2条弯曲裂缝，裂缝宽度为0.02 mm.

加载到241 kN，试件DS－1因FRP开孔板根部发生剪切破坏而失效，而采用环氧树脂连接的试件DS－2在加载到290 kN时，FRP板和混凝土板在黏结界面剥离，试件破坏.两者破坏时均发出“啪”的声响，挠度迅速增大.

DS－1和DS－2连接界面破坏的典型形态如图3所示.

图3 试件典型破坏形态

2.2 应变分析

图4和图5分别为试件DS－1和DS－2的混凝土板顶、FRP板底荷载－应变曲线.

图4 混凝土板顶荷载－应变曲线

图5 FRP板底荷载－应变曲线

由图4和5可知:

1)在极限荷载下，试件DS－1和试件DS－2的混凝土板顶压应变分别为600 με和1 070 με，FRP板底拉应变分别为630 με和2 390 με.需要说明，在相同荷载作用下，DS－2混凝土板顶压应变和FRP板底拉应变均大于DS－1相同测点的应变，这是由于采用FRP开孔板连接件的DS－1滑移较大所致.

2)由于试件破坏均发生在连接界面处，此时2个试件的混凝土板顶压应变和FRP板底拉应变都远未达到相应的极限应变.

3 主要试验结果分析

3.1 荷载－跨中挠度曲线

试件的荷载－跨中挠度曲线如图6所示.

由图6可见，采用环氧树脂连接的试件DS－2的荷载－跨中挠度曲线在整个加载过程表现为线性，刚度几乎保持不变.而采用FRP开孔板连接的试件DS－1，荷载－跨中挠度曲线分为3个阶段:

图6 荷载－跨中挠度曲线

1)当P＜0.2Pu时，该阶段 DS－1的荷载 －跨中挠度曲线呈线性关系，且与DS－2的荷载－跨中挠度曲线基本重合.此时，DS－1的滑移量很小，其对试件刚度的影响可以忽略.

2)当0.2Pu≤P ＜0.65Pu时，随着滑移量的增加，DS－1的荷载－跨中挠度曲线虽然仍大致满足线性关系，但刚度略有降低，约为第一阶段刚度的95%.

3)当P≥0.65Pu时，随着滑移量进一步增大，试件纯弯段出现2条裂缝，裂缝宽度约为0.02 mm，此时刚度有所下降，相比第一阶段约下降了20%.

破坏时，DS－1和 DS－2跨中挠度分别是38.9 mm和34.3 mm，约为跨度的1/123 和1/140.

3.2 平截面假定

根据FRP板侧、混凝土板侧应变测试结果，跨中截面上沿截面高度的应变分布如图7所示.

由图7可见:试件DS－1在加载到0.2Pu之前符合平截面假定;荷载大于0.2Pu后，FRP板和混凝土板的截面曲率相等但截面应变分布曲线有错位.这表明试件的连接界面处产生了滑移;随着滑移增大，曲线错位越来越明显.

试件DS－2的截面应变分布几乎为直线，符合平截面假定.

3.3 荷载－滑移曲线

试件DS－2在整个加载过程几乎没有滑移.当达到极限荷载时，FRP板和混凝土板之间突然发生剥离.图8为试件DS－1的荷载－滑移曲线.

可见，试件加载点的滑移量在整个加载过程均小于支座处的滑移量.极限荷载下加载点的滑移量为0.28 mm，支座处滑移则为0.54 mm.

4 结语

1)采用FRP开孔板连接件连接的试件DS－1和采用环氧树脂连接的试件DS－2，其破坏均发生在连接界面上，破坏较突然.DS－1的破坏形态为FRP开孔板在根部发生剪切破坏，DS－2的FRP板和混凝土板在连接界面上发生了剥离.

图8 DS－1荷载－滑移曲线

2)DS－1连接界面上的滑移量随荷载逐渐加大，极限荷载下的滑移量为0.55 mm.试件DS－2整个加载过程几乎没有滑移.

3)采用环氧树脂连接的试件DS－2承载力(290 kN)高于采用FRP开孔板连接件连接的DS－1的承载力(241 kN).这是由于DS－1滑移量较大所致.

4)DS－1的荷载－跨中挠度曲线分为3个阶段:第一阶段，荷载小于0.2Pu，此时，荷载和跨中挠度呈线性;第二阶段，当荷载在0.2Pu～0.65Pu间时，荷载－跨中挠度曲线仍基本呈线性，刚度略有降低，约为第一阶段刚度的95%;第三阶段，试件刚度有所降低，约为第一阶段的80%.这是由于试件连接界面处的滑移量增加以及裂缝开展造成的.DS－2在整个加载过程刚度几乎没有降低.

5)DS－1和DS－2在极限荷载下的跨中挠度分别是38.9 mm和34.3 mm，约为跨度的1/123和1/140.试件破坏时的变形较大，具有一定的征兆.与DS－2相比，DS－1的跨中极限挠度增加了约13.4%，这是由于滑移造成试件刚度降低所致.

需要说明的是，文中试件的破坏均发生在连接界面处.为了提高其极限承载力，对DS－1而言，可采用增加开孔板的排数或增大开孔板厚度的方法，而对于DS－2则可采取提高胶粘剂的强度和保证施工质量的方法.

［1］万水，胡红.复合材料桥面扳的应用和研究进展［J］.公路交通科技，2004，21(8):59 －63.

［2］ Kitane Y.Development of hybrid FRP-concrete bridge superstructure system［D］.Buffalo，USA:State University of New York at Buffalo，2003.

［3］ Hillman J R，Murray T M.Innovative floor systems for steel framed buildings［R］.Switzerland:IABSE，1990:672－675.

［4］ Deskovic N，Triantafillou T C.Innovative design of FRP combined with concrete:short-term behaviour［J］.Journal of Structural Engineering，1995(7):1069 －1078.

［5］ Scott W Davey，Gerard M Van Erp，Roy Marsh.Fiber composite bridge decks-all alternative approach［J］.Composites:Part A，2001，32(5):1339 －1343.

［6］ Hulatt J，Hollaway L A.The use of advanced polymer composites to form an economic structural unit［J］.Construction and Building Materials，2003(5):55 －68.

［7］邓宗才，李建辉.新型FRP－混凝土组合桥面板的初步设计［J］.玻璃钢/复合材料，2007(6):40 －42.

［8］ Bakis C E，Bank L C，Brown V L.Fiber-reinforced polymer composites for construction-state-of-the-art review ［J］.Journal of Composites for Construction，ASCE，2002，6(2):73－ 87.

［9］ Mirmiran A.Innovative combinations of FRP and traditional materials［C］∥Teng J G.Proc of the International Conference on FRP Composites in Civil Engineering.New York:Elsevier Science Ltd.，2001:1289 －1298.

［10］藤锦光，陈建飞，史密斯S T，等.FRP加固混凝土结构［M］.李荣，藤锦光，顾磊，译.北京:中国建筑工业出版社，2005.

［11］ Berg A C.Analysis of a bridge deck built on US highway 151 with FRP stay-in-place forms，FRP grids，and FRP rebars［D］.Madison:University of Wisconsin-Madison，2004.

［12］王言磊，欧进萍.FRP板与混凝土的黏结性能试验研究［C］∥2006年全国博士生论坛土木建筑学科论文集.大连:大连理工大学出版社，2006.