GFRP管外包GFRP筋混凝土梁工作性能试验研究

杨健彬 周日瑜 郑愚

(东莞理工学院 建筑工程系，广东东莞 523808)

一般情况下，在碱性 (浇筑初期pH=13)的混凝土包裹下，钢筋不易腐蚀，钢筋混凝土结构具有一定的耐久性。而长期暴露在侵蚀性环境下的钢筋混凝土结构 (例如用除冰剂处理过的路桥、海边建筑物、化工污水处理厂、盐渍地区的地下结构等)，随着混凝土的pH值逐渐上升和微裂缝的发展甚至混凝土的开裂和剥落，结构中钢筋渐渐锈蚀，影响了结构的使用性能，降低了结构的耐久性，带来极大的安全隐患［1］。为了解决建筑、桥梁结构的钢筋腐蚀和耐久性问题，纤维增强复合材料 (fibre－reinforced polymer，FRP)在近年来得到越来越广泛的应用［2］。玻璃纤维增强复合筋材 (GFRP Rebars)高强、质轻、不锈蚀［3］。在混凝土构件中，混凝土压碎破坏要比GFRP筋拉断破坏具有更好的延性。现行的GFRP筋混凝土设计规范通过增加受拉区的配筋率来保证受压区混凝土的破坏发生在筋材断裂之前［4］。因此，按现行规范进行设计，支撑梁构件内的GFRP筋配筋率过高，导致了建造成本较高。

在前期对GFRP筋纤维混凝土受弯构件试验的研究中发现，混凝土材料本身特性无法有效改善GFRP筋混凝土结构的延性［5］，而纤维混凝土的使用能够较有效提高GFRP筋混凝土受弯构件的变形能力和延性并能有效控制微裂缝的开展。研究表明，GFRP筋混凝土构件破坏预兆较小，但破坏缓慢发生，具有相当的延性。同时，GFRP管混凝土具有三大优点:①保护钢筋和混凝土，提高结构的耐久性;②作为核心混凝土纵横向加强材料提高构件的承载力;③作混凝土的永久性模板［6］。因此，将GFRP管外包在GFRP筋混凝土支撑梁结构中，不仅可以有效提高GFRP筋混凝土支撑梁结构的承载能力和延性，而且施工方便、经济实惠。

为了研究GFRP管对GFRP筋混凝土受弯构件结构性能，本研究对该结构构件进行四点抗弯静力加载试验。研究中分析GFRP管对该GFRP筋混凝土受弯构件延性及变形能力、承载性能的影响，并讨论纤维增强复合材料建设工程应用技术规范中关于采用GFRP筋作为箍筋的混凝土构件的斜截面受剪承载力的方法的合理性。

1 试验设计

本次试验共制作六根GFRP筋混凝土受弯构件模型，并在跨中对其进行静力加载至破坏，如图1所示。如表1所示，所有混凝土梁截面形式均为宽度200 mm，高度300 mm，梁长度为2 000 mm，净跨控制在1 480 mm。为了保证GFRP管与混凝土梁协同工作性能，GFRP管采用柱浇筑混凝土的方法，同时，考虑到GFRP管的刚度不大，需要进行侧模加固，如图2所示。本次试验研究重点分析GFRP外包管及GFRP配筋率对该水平构件承载性能和变形能力的影响，因此试验中所改变结构参数为配筋率和GFRP外包管设置与否，如表1所示。

如图1所示，五个机械百分表测量受弯构件的变形，其中两个设置在板底跨中处 (跨中位移读数为两表平均值)，四分之一净跨及两端支座各设置一个，采用人工读数。混凝土和筋材的应变均采用电阻应变片、静态数据采集仪及配套电脑软件进行采集。裂缝宽度使用裂缝读数器由人工测读。

表1 梁模型参数

图1 结构试验基本模型

图2 GFRP管加固形式

2 试验结果与分析

2.1 开裂模式及破坏模式

所有试验模型开裂形态如图3所示。无GFRP管约束的试件，随着配筋率的提高，GFRP筋混凝土延性更优，裂缝宽度更小，如图4所示。有GFRP管约束的试件，与无GFRP管的试件相比，随着配筋率的提高，GFRP混凝土梁的延性和裂缝宽度变化不大。

静力加载到GFRP管外包GFRP筋混凝土梁2/3极限承载力时，梁底部的GFRP管有被拉裂迹象，发出纤维拉断的声音，而混凝土并未发生破坏。如图5所示。这表明GFRP管有效解决GFRP筋混凝土梁脆性破坏的问题。

2.2 荷载位移曲线

在GFRP管外包GFRP筋混凝土梁静力加载过程中，GFRP管在支座处会被压缩破坏，如图6所示。通过现场测量可知支座处GFRP管被压缩4 mm，修正后可得荷载位移曲线，如图7所示。C2试件由于机械百分表故障，无法测得其跨中位移数据。

由图7可知，在同一种配筋率的情况下，GFRP管较有效提高GFRP筋混凝土受弯构件的变形能力。GFRP管外包在混凝土梁表面，梁截面高度和宽度略微增大，GFRP筋混凝土梁的竖向刚度有一定的增

加，但是由于GFRP管弹性模量较低，梁变形能力略有提高。

图4 裂缝宽度

图5 GFRP管破坏现象

图6 GFRP管压缩破坏

图7 荷载位移曲线

2.3 承载力

如表2所示，随着配筋率增大，GFRP管外包GFRP筋混凝土梁和GFRP筋混凝土梁的承载力均有所提高，而GFRP管外包GFRP筋混凝土梁承载力提高更为明显。这表明GFRP外包管能有效提高GFRP筋混凝土梁的极限承载能力。在GFRP筋混凝土梁的受压区，GFRP管对混凝土有约束的作用，混凝土的抗压强度有所提高。在受拉区，GFRP管作为受拉构件，有效提高了梁的正截面承载能力。同时，GFRP管作为受剪构件，一定程度上提高梁的斜截面承载能力。

表2 极限承载力

利用我国现行的纤维增强复合材料建设工程应用技术规范计算配筋率1.08%、1.62%和2.33%没有GFRP管的GFRP筋混凝土受弯构件的承载力。计算承载力结果和试验承载力结果如表3所示:

如表3所示，通过理论计算和试验结果对比可知，我国纤维增强复合材料建设工程应用技术规范对于计算采用GFRP筋作为箍筋的混凝土构件的斜截面受剪承载力的方法过于保守。

表3 理论计算承载力和试验承载力

3 结语

本次研究通过GFRP管外包GFRP筋混凝土受弯构件的工作性能进行了试验研究，得出以下结论:

1)配筋率增大，GFRP筋混凝土梁的裂缝宽度减小，而GFRP外包管约束作用，一定程度上避免GFRP筋混凝土梁发生脆性破坏。

2)GFRP管的弹性模量低，对提高GFRP筋混凝土梁刚度的贡献不大，并不能有效降低GFRP筋混凝土梁的挠度。

3)GFRP外包管的使用，对提高GFRP筋混凝土梁的承载能力有显著影响，配筋率越高，承载能力提高越明显 (本次研究最多能提高48.7%)。

4)现行设计规范对于GFRP筋混凝土构件斜截面抗剪承载力的计算过于保守，导致配筋率过高。

5)GFRP管外包装置的使用能在一定程度上提高了传统GFRP筋延性差，解决低配筋率结构破坏突然的问题。FPR外包管可作为施工模板使用，提高施工效率。

［1］郑乔文．FRP筋混凝土梁设计理论研究［D］．上海:同济大学，2006:1－2．

［2］梅葵花．FRP筋的特点及在桥梁工程中的应用［J］．公路，2007(7):12－15．

［3］王全凤．FRP复合材料及其在土木工程中的应用研究［J］．华侨大学学报，2005(1):1－2．

［4］熊明权，邱振清，郑愚，等．FRP筋纤维混凝土受弯构件试验研究［J］．东莞理工学报，2013，20(5):91－96．

［5］郑愚，李春红，秦怀泉．对GFRP筋混凝土桥面板中压缩薄膜效应的研究［J］．世界桥梁，2011(1):59－64．

［6］李杰，薛元德．FRP管混凝土组合结构理论研究［J］．玻璃钢/复合材料，2005(6):7－9．