GFRP筋混凝土短柱偏压性能试验研究

孙丽+王世光+侯娜+张娜

摘要：进行了3组玻璃纤维增强复合材料（GFRP）筋混凝土短柱偏心受压破坏试验，对GFRP筋混凝土偏心受压柱的破坏形态、侧向挠度、内部筋体应变与混凝土表面的应变等试验结果进行了分析。结果表明：GFRP筋混凝土柱的破坏形式为受压破坏，随着初始偏心距的减小，GFRP筋混凝土柱的承载力有增大趋势；GFRP筋作为受压筋与混凝土的协同作用良好，且试件加载时的初始偏心距越小，混凝土与GFRP筋的协同作用越好；GFRP筋有较好的抗压性能，作为受力筋应用到混凝土受压构件中有很大的优越性。

关键词：GFRP筋；混凝土短柱；偏心距；偏压性能；荷载；挠度；应变

中图分类号：TU377.9 文献标志码：A

0 引 言

纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Polymer，FRP）筋取代钢筋用于增强混凝土结构是解决钢筋锈蚀行之有效的方法之一[1]。作为一种新型材料，玻璃纤维增强复合材料（Glass Fiber Reinforced Polymer，GFRP）与传统钢筋相比具有低密度、高强度、电磁中性和强耐腐蚀能力等优良性能。

各国很多学者对FRP筋的性能做了大量研究。詹界东等[2-3]采用应变折减的方法推导了体外预应力FRP筋混凝土梁承载力的计算方法，并将计算结果与3组其他学者的试验数据进行对比，得出将此计算方法作为体外预应力FRP筋混凝土梁承载力的计算公式是可行的，在此基础上用有限元软件ANSYS对预应力FRP筋混凝土梁进行建模，得到了与试验相类似的结果。宋江等[4]采用一种相对外贴加固具有明显优势的新型FRP筋加固混凝土结构的方法——嵌入式（NSM）加固法，研究了预应力FRP筋嵌入式加固钢筋混凝土梁的跨中正截面受弯承载力，给出了加固后的计算公式，并根据受压区高度对预应力FRP筋嵌入式加固钢筋混凝土梁破坏模式进行了判别。徐新生等[5]通过对10根FRP筋混凝土梁的弯曲试验研究，推导了FRP筋混凝土梁挠度的计算公式。薛伟辰等[6]通过系统研究各国FRP筋混凝土梁的试验结果，指出FRP筋混凝土梁基本有3种破坏模式，分别是受拉破坏、平衡破坏和受压破坏，且推导出FRP筋混凝土梁的正截面抗弯承载力设计的计算公式。Baena等[7]进行了GFRP筋加固混凝土试件的拉伸试验，结果表明，GFRP筋混凝土结构的配筋率对结构在试验过程中的裂缝开展和变形情况有影响，其他因素对GFRP筋加强混凝土结构拉伸性能的影响是值得分析和探讨的。Nawy等[8]研究了FRP筋简支梁和连续梁，分析了FRP筋混凝土梁的挠度特性，得出同等受力情况下FRP筋混凝土梁产生的挠度要大于钢筋混凝土梁的结论。

综合各国众多学者的研究现状分析可知，目前对GFRP筋的研究主要集中在GFRP筋的抗拉性能方面，在抗压方面所做的研究相对较少，尤其是GFRP筋与混凝土结构结合作为受压构件的研究更少。随着GFRP筋在混凝土结构中的应用越来越广泛，GFRP筋应用于承载构件时不可避免地将会承受压应力。为了使GFRP筋更广泛地应用到工程实际中，充分发挥其优越的性能，更好地保证其与混凝土结构结合使用过程中结构的耐久性和安全性，全面系统地研究GFRP筋混凝土的受压力学性能显得尤为必要。本文中笔者对GFRP筋混凝土短柱偏压性能进行试验研究，分析其破坏形态、侧向挠度等的变化规律。

1 试验概况

1.1 GFRP筋材料试验

本文试验中，纵筋采用GFRP筋，其中玻璃纤维的体积分数为70%，树脂基体的体积分数为30%，其直径为10 mm。为提高GFRP筋与混凝土间的粘结性能，选择表面带肋的GFRP筋，见图1。

Fig.1 GFRP Bars首先进行受压性能测试。将GFRP筋截成长细比为2.5的小试件，在300 kN液压试验机上进行手动加载。随后进行受拉性能测试，将GFRP筋截成长度为30 cm的试件，在30 t液压试验机上进行手动加载，应用IMC应变采集系统对筋体纵向应变进行采集。GFRP筋的抗压与抗拉性能测试结果如表1所示。

1.2 GFRP筋混凝土偏心受压柱试件设计与制作

1.2.1 混凝土配合比与强度设计

混凝土的强度等级为C30，采用容量为0.6 m3的搅拌机进行搅拌，具体配合比见表2。

1.2.2 混凝土试件设计、制作与应变片粘贴

本文对9根GFRP筋混凝土柱进行偏心受压试验，偏心受压柱试件参数见表3。试件采用对称配筋，受压侧与受拉侧各配置3根直径为10 mm的GFRP筋作为纵筋。在柱身处均匀布置3根直径为

4 mm的钢筋作为箍筋，间距为50 mm。采用牛腿状柱头，每个柱头配置3根直径为16 mm的拉结钢筋， 均匀布置5根直径为6 mm、间距为50 mm的箍筋。试件截面尺寸及配筋见图2。

试验采用标距为1 mm的电阻应变片测量柱内部筋体的纵向应变，每根GFRP纵筋中部布置1个电阻应变片，焊接完毕后，再用纱布浸渍环氧树脂包裹。

试验采用标距为80 mm的应变片测量GFRP筋混凝土柱混凝土表面的纵向、横向应变。测量横向应变的应变片均布置在混凝土柱试件的纵向中间部位，受拉侧与受压侧以35 mm的间距各布置3个，标记为1，2，3和10，11，12。侧面以42 mm的间距布置4个，标记为6，7，8，9。在试件受压侧与受拉侧位于中间位置的电阻应变片的上、下位置各再粘贴1个电阻应变片，用来测量混凝土的纵向应变，标记为4，5和13，14。混凝土柱表面粘贴电阻应变片的情况见图3。在粘贴电阻应变片前，将粘贴位置的表面先用清水擦洗干净，再用酒精擦拭，以使应变片更好地和混凝土粘贴，减小误差。

1.3 加载方案

采用沈阳建筑大学结构工程实验室的500 t压力试验机进行手动加载。混凝土试件为偏心受压，试验前需要在试件上、下两端的钢板上焊接角钢来固定刀铰，并在500 kN压力机上安装刀铰，应用IMC数据采集系统对试件加载及持载过程进行数据采集。试验加载装置见图4。

本文试验采用手动持续加载方案，试验正式开始时，首先施加少量荷载，构件采集数据稳定后，荷载以20 kN·min-1的速度匀速加载。当荷载接近开裂荷载和极限荷载时，加载速度适当减小，以10 kN·min-1的速度匀速加载。试验过程中应用裂缝观测仪测量裂缝宽度，并记录对应的荷载值。2 试验现象与结果分析

图5为试件破坏形态。根据试验中9根GFRP筋混凝土柱的极限荷载，绘制出GFRP筋混凝土偏心受压柱的极限荷载柱形图，见图6。由图6可知，GFRP筋混凝土偏心受压柱与钢筋混凝土偏心受压柱一样，随着初始偏心距的减小，GFRP筋混凝土柱的承载力有增大趋势。

本次试验GFRP筋混凝土受压柱的受压破坏结果见表4。由表4可以看出，GFRP筋混凝土试件以受压区混凝土劈裂破坏为主。试件中大部分的纵 筋未发生断裂，仅个别纵筋发生剪切破坏，可见，GFRP筋有较好的抗压性能，作为受力筋应用到混凝土受压构件中有很大的优越性。混凝土先于GFRP筋发生破坏，可见，混凝土对GFRP筋起到一定的保护和约束作用。

2.1 GFRP试件的荷载-侧向挠度变化关系

根据9根GFRP筋混凝土试件加载过程中侧面的挠度变化和对应的各级荷载，得到试件的荷载-侧向挠度曲线，见图7。由图7可见：试件加载时，当所施加的竖向荷载小于试件极限荷载时，试件的荷载与挠度呈线性关系，说明这一阶段的混凝土试件处于弹性工作阶段；当所施加的竖向荷载超过极限荷载时，试件的荷载-侧向挠度关系曲线开始下降，随着加载继续进行，荷载迅速减少，没有明显的屈服阶段。由图7还可知，初始偏心距越小，极限荷载越大，承载能力越强。

2.2 试件内部筋体的荷载-应变关系

根据GFRP筋混凝土试件加载过程中受拉和受压GFRP筋的实测应变和对应的各级荷载，得到试件GFRP筋的荷载-应变曲线，见图8，其中，内部受压侧筋体试件编号为GFRP-2，受拉侧筋体试件编号为GFRP-6。本文探讨了不同的GFRP筋混凝土试件在加载时，荷载与内部筋体的应变变化情况。

由图8（a）可以看出：GFRP筋在混凝土柱内部作为受力筋时，开始时受拉侧与受压侧GFRP筋的荷载与应变呈线性关系；随着加载继续进行，达到极限荷载后，受压侧GFRP筋荷载-应变曲线迅速下降，没有明显的屈服阶段，受拉侧GFRP筋荷载-应变曲线下降相对较缓慢。

由图8（b）可以看出：GFRP筋在混凝土柱内部作为受力筋时，开始时受拉侧与受压侧GFRP筋的荷载-应变曲线呈线性关系，荷载-应变曲线斜率的绝对值近似相等；随着加载继续进行，达到极限荷载后，受压侧GFRP筋荷载-应变曲线迅速下降，没有明显的屈服阶段，受拉侧GFRP筋荷载-应变曲线下降相对较缓慢。

由图8（c）可以看出：GFRP筋在混凝土柱内部作为受力筋时，受拉侧与受压侧GFRP筋的荷载-应变曲线呈线性关系；随着荷载增加，达到极限荷载后，受压侧与受拉侧GFRP筋荷载-应变曲线均下降，但是受拉侧GFRP筋荷载-应变曲线下降相对缓慢。

2.3 混凝土表面的荷载-应变关系

根据GFRP筋混凝土试件加载过程中受拉侧和受压侧混凝土表面中间纵截面上实测应变和对应的荷载，得到试件混凝土表面的荷载-应变曲线，如图9所示。

初始偏心距为175 mm的GFRP筋混凝土试件表面的荷载-应变曲线选取点为混凝土-4（数字为应变片位置，下文同）和混凝土-14，见图9（a）。初始偏心距为125 mm的GFRP筋混凝土试件表面的荷载-应变曲线选取点为混凝土-5和混凝土-14，见图9（b）。初始偏心距为75 mm的GFRP筋混凝土试件表面的荷载-应变曲线选取点为混凝土-4和混凝土-14，见图9（c）。

GFRP筋混凝土柱试件受拉侧混凝土的荷载-应变曲线近似呈线性关系，达到极限荷载后，曲线急剧下降，没有明显的屈服阶段。受压侧混凝土的荷载-应变曲线在加载初期表现出较好的线性，随着竖向荷载的增大，曲线下降相对缓慢。

对比图8，9可知，无论是受拉侧GFRP筋应变还是受压侧GFRP筋应变，都比相应试件中受拉侧和受压侧混凝土表面的应变大，也就是说在混凝土破坏之前，GFRP筋保持完好，并能有效地发挥其良好性能。3 结 语

（1）GFRP筋混凝土柱的破坏形式为受压破坏，与钢筋混凝土柱破坏形式相同，但是GFRP筋混凝土柱的破坏表现为脆性破坏，破坏前没有明显的预兆，试件内部筋体大部分没有发生断裂，仅个别筋体发生剪切破坏。

（2）GFRP筋混凝土柱与钢筋混凝土偏心受压柱相同，随着初始偏心距的减小，GFRP筋混凝土柱的承载力有增大趋势。

（3）GFRP筋混凝土偏心受压柱具有较大的承载力，在混凝土破坏之前，GFRP筋保持完好，并能有效地发挥其良好性能。

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