GFRP筋混凝土板正截面疲劳性能试验研究

赵军，吴浩，孙宏贤，张飞

（1.郑州大学力学与工程科学学院，河南郑州 450001；2.机械工业第六设计研究院有限公司，河南郑州 450007；3.云南云岭高速公路交通科技有限公司，云南昆明 650000）

GFRP筋混凝土板正截面疲劳性能试验研究

赵军1，吴浩2，孙宏贤3，张飞1

（1.郑州大学力学与工程科学学院，河南郑州 450001；2.机械工业第六设计研究院有限公司，河南郑州 450007；3.云南云岭高速公路交通科技有限公司，云南昆明 650000）

通过玻璃纤维聚合物（GFRP）筋混凝土板的疲劳试验，分析了疲劳循环次数对GFRP筋混凝土板剩余承载力、跨中挠度、GFRP筋应变、混凝土应变和裂缝的开展等的影响．试验结果表明，在疲劳荷载作用下，随着疲劳循环次数的增加，疲劳上限荷载对应的试件的跨中挠度不断增大，GFRP筋应变和受压区混凝土应变也大幅度增加，裂缝宽度显著变大．200万次疲劳循环后，试件的剩余承载力约为静力荷载作用下试件承载力的67%．

板；GFRP筋；挠度；应变；疲劳循环次数；剩余承载力

0 引言

钢筋混凝土结构长期暴露在侵蚀性环境中，混凝土的PH值以每年10%的速度减小[1]．同时，钢筋混凝土结构大都处于带缝工作状态，致使钢筋很容易发生锈蚀．随着使用年限的不断增加，受侵蚀严重的外层混凝土保护层脱落导致内部钢筋外露，钢筋的锈蚀率会越来越大，当锈蚀到一定程度时会严重影响混凝土与钢筋的粘结，两者的整体工作性能削弱，严重影响结构的承载力和正常使用性能，使结构的使用寿命大幅度降低[]．

为了解决混凝土结构中钢筋锈蚀的问题，工程领域和很多科研机构致力于该问题的解决方法，如阴极保护法、采用聚合物混凝土、镀锌钢筋等，然而在不同的环境条件下，这些方法并未总能起到很好的效果．如何从根本上解决混凝土结构中钢筋的锈蚀难题，降低维修的巨额费用，延长结构寿命，国内外许多专家学者不断尝试新型材料和新型结构体系．经过多年的研究与分析，发现用纤维增强聚合物（fiberreinforcedpolymer,简称FRP）筋来代替钢筋是解决锈蚀问题的最佳方法之一[4]．

FRP筋是以连续纤维为增强相，聚合物树脂为基体相，按照一定的比例混合同时添加一些辅助材料（如促进剂等），通过复合工艺组合而成的一种新型复合材料．与普通筋材相比，FRP筋具有轻质、抗拉强度高、抗腐蚀性能好、电磁绝缘性能好、热膨胀系数与混凝土相近等优点，作为钢筋的一种替代材料，正越来越广泛地应用于道路、桥梁、海洋、近海以及水下混凝土结构中[5]．

当采用玻璃纤维作为增强相时，可以得到玻璃纤维增强聚合物（GFRP）筋．由于其价格比较低廉，国内外对GFRP筋的研究和应用成果比较多，但是关于GFRP筋混凝土构件的疲劳性能方面的研究较少．为了推动GFRP筋在承受动荷载作用下混凝土结构中的应用，本文进行了GFRP筋混凝土板在疲劳荷载作用下的力学性能试验，研究了GFRP筋混凝土板在疲劳荷载作用下挠度、混凝土应变、GFRP筋应变和裂缝等随着疲劳循环次数的变化规律．

图1 试件的尺寸及配筋图Fig.1Dimension and reinforcement chart of specimens

1 试验概况

1.1 试件设计

试件截面尺寸长×宽×高为1 600 mm× 450 mm×100 mm，混凝土强度等级为C35，板底纵向受力钢筋为5根直径为12 mm的GFRP筋，横向分布筋为10根直径为10 mm的GFRP筋．试件的外观尺寸与配筋及相关设计参数如图1所示．

1.2 测试内容

试验中主要测试试件的正截面疲劳强度、跨中截面处的GFRP筋应变、跨中截面处的板底和板顶的混凝土应变和跨中挠度，并记录了试件板底裂缝的开展和裂缝宽度．

1.3 材料性能

试验所用的筋材为GFRP筋，纵向受拉筋采用5根GFRP筋，直径12 mm，长度为1 570 mm；分布钢筋采用10根GFRP筋，直径为10mm，长度为420mm．直径12 mm的GFRP筋抗拉强度为614.5 MPa，弹性模量为48.5GPa；直径10mm的GFRP筋抗拉强度为481.2MPa，弹性模量为42.5GPa．混凝土强度等级为C35，实测混凝土立方体抗压强度平均值fcu=46.8 MPa，轴心抗压强度平均值fc=39.6 MPa，弹性模量Ec=31 600 MPa．

1.4 试验装置和加载方案

采用跨中单点加载方式，疲劳荷载最大值为15 kN，最小值为9kN．根据混凝土结构试验方法标准[6]，疲劳试验进行之前先进行预加载，施加荷载至疲劳试验上限荷载值的20%，前后进行两次加卸载，以确保试验装置各部分连接良好．当荷载循环至1万、5万、10万、20万、50万、100万、200万次时，停机进行一次加载至疲劳上限的静载试验，量测试件跨中挠度、混凝土和GFRP筋的应变及裂缝发展情况．

本试验疲劳荷载循环次数以200万次为无穷大,当荷载循环200万次内试件发生疲劳破坏特征时，停止试验记录荷载循环次数、破坏特征等；如若200万次内试件并没有发生疲劳破坏，则进行静力分级加载直至破坏．

2 试验结果分析

根据试验中的实测数据和裂缝记录，下面分别对试件在疲劳荷载作用下的剩余承载力、跨中挠度、GFRP筋应变、受压区混凝土应变和裂缝进行分析．

2.1 剩余承载力

当疲劳循环次数达到200万次后，试件没有发生疲劳破坏，随后进行静力加载至破坏，试件静载破坏试验得到的荷载-跨中挠度曲线和未经历疲劳荷载试件的静载试验荷载-挠度曲线如图2所示．

由图2可以看出，试件在疲劳荷载上限15kN作用下，经过200万次循环次数后，试件的剩余承载力和极限位移约为未经历疲劳荷载试件静力承载力的67%和75%．说明经过疲劳荷载循环后，试件的承载能力和变形能力都有所下降．本文研究的GFRP筋混凝土板，在疲劳下限9kN、疲劳上限15kN作用下，经过200万次疲劳循环次数后未发生疲劳破坏，仍满足使用要求．

2.2 跨中挠度

试件在各疲劳循环次数结束后进行静载试验得到的荷载-跨中挠度曲线如图3所示．由图可以看出，试件在应力水平15 kN作用下，从0次静载到最终200万次后的静载试验，荷载-挠度曲线出现了明显的变化．随着疲劳循环次数的增加，循环后静载试验的荷载-挠度曲线斜率逐渐降低，曲线的拐点也逐渐减小，说明由于疲劳荷载作用，板混凝土内部产生的损伤在逐步积累，而且宏观裂缝也在发展，荷载循环次数越多，损伤的累积程度越大，导致板的抗弯刚度逐渐下降，疲劳上限荷载对应的挠度也明显增大．疲劳循环200万次后的跨中挠度达到了3.04 mm，是未经历疲劳荷载的板相应挠度的1.71倍，但是可满足板的正常使用要求．

2.3 跨中截面GFRP筋应变

试件跨中GFRP筋应变随疲劳次数的变化如图4所示，从图中可以看出，GFRP筋应变随疲劳循环次数的增加基本上呈线性增长．疲劳循环1万次时GFRP筋应变为617.8，20万次GFRP筋应变为726.3，50万次GFRP筋应变为759.8，100万次时GFRP筋应变为852.3，200万次循环结束后GFRP筋应变达到1000，为1万次时筋应变的1.62倍．静载试件在疲劳上限荷载作用下对应的GFRP筋应变为682，与各循环次数后GFRP筋的应变比较发现，1万次后GFRP筋应变值略低于静载试件下对应的应变值，之后随着疲劳循环次数的增加，GFRP筋应变逐步增大．与1万次后GFRP筋应变相比，20万次、50万次、100万次、200万次的GFRP筋应变分别增长了17.6%、23.0%、38.0%、61.9%．

图2 静载和200万次疲劳循环后荷载-跨中挠度曲线Fig.2Load-midspan deflection curve after static load and fatigue load of 2 million cycles

图3 各循环次数静载试验曲线Fig.3Test curve at static load after each cycle

2.4 受压区混凝土应变

受压区混凝土最大应变随疲劳循环次数的变化如图5所示，从图中可以看出受压区混凝土最大应变在20万次范围内有较小的波动，之后随着循环次数的增加，受压区混凝土的应变基本上呈线性增长，受压区混凝土最大应变为334.5．疲劳循环1万次时压区混凝土应变为187.0，20万次时应变为232，50万次混凝土应变为243.0，100万次时应变为265.5，200万次循环结束后压区混凝土的应变达到334.5，为1万次时筋应变的1.79倍．在试验中观察发现，随着循环次数的增大，板侧面裂缝逐步向板顶扩展，此时中和轴高度向上移动，受压边缘混凝土应变逐渐增大．静载试件在疲劳上限荷载作用下对应的压区混凝土应变为192.5，与各循环次数后压区混凝土应变比较发现，1万次后压区混凝土应变值略低于静载试件下对应的应变值，之后随着疲劳循环次数的增加，压区混凝土应变逐步增大．与1万次后压区混凝土应变值相比，20万次、50万次、100万次、200万次的压区混凝土应变分别增长了24.1%、29.9%、42.0%、78.9%．

图4 跨中GFRP筋应变随疲劳循环次数的变化Fig.4Relationship of GFRP bars strains and fatigue cycles

图5 试件受压区混凝土应变随疲劳次数的变化Fig.5Relation of concrete strains at compressive zone and fatigue cycles

2.5 裂缝的发展与开展

在试验过程中，1万次范围内共出现了3条裂缝，之后没有新裂缝出现，原有裂缝不断延伸，裂缝宽度逐渐增大．200万次循环结束后，最大裂缝宽度约为0.40 mm．试件在疲劳荷载上限15 kN作用下最大裂缝宽度如表1所示．对于同样的疲劳荷载作用下，最大裂缝宽度受荷载循环次数的影响比较显著，且随着循环次数的增加，最大裂缝宽度逐渐增大．200万次循环结束后，最大裂缝宽度是0万次对应最大裂缝宽度的6.7倍．由此可见，疲劳荷载对裂缝的开展也产生了累积损伤作用，致使在构件承受同样荷载的情况下，裂缝两端的混凝土进一步松弛，最大裂缝宽度显著变宽．

表1 疲劳荷载作用下试件的最大裂缝宽度mmTab.1Maximum crack width of specimens after fatigue load

200万次疲劳试验结束后，试件静载破坏试验得到的最大裂缝宽度如表2所示．从表中可以看出，当荷载比较小时，最大裂缝宽度已经达到0.24mm．之后再增加荷载，在较小的荷载增量时，最大裂缝宽度的增加非常明显．最后由于板底裂缝迅速向加载点处截面受压区发展，纵向受力筋的断裂而使试件破坏．

表2 试件静载破坏试验最大裂缝宽度mmTab.2Maximum crack widths under static load

3 结论

经过本文关于GFRP筋混凝土板在疲劳荷载下的受力性能试验研究，结果表明，疲劳荷载对GFRP筋混凝土板的受力性能影响比较显著，可以得出以下主要结论：

1）对于本文研究的GFRP筋混凝土板，在200万次疲劳荷载作用后，没有发生疲劳破坏，但其剩余承载力仅为经历疲劳荷载之前板承载力的67%；

2）疲劳荷载作用后疲劳上限荷载对应的跨中挠度随着疲劳循环次数的增加而增大，当疲劳荷载循环次数达到200万次后，疲劳上限荷载对应的跨中挠度比0万次的对应值增加了70%；

3）在疲劳荷载作用下，随着疲劳循环次数的增加，疲劳上限荷载对应的GFRP筋和受压区混凝土的应变基本呈线性增大．与1万次疲劳循环相比，200万次循环后板在疲劳上限荷载作用下GFRP筋和受压区混凝土的应变分别增加了61.9%和78.9%；

4）疲劳荷载对裂缝的发生与发展影响比较明显，随着循环次数的增加，最大裂缝宽度逐渐增大．200万次循环结束后，最大裂缝宽度是0万次对应最大裂缝宽度的6.7倍，而且在较小的荷载下，裂缝宽度就已经接近正常使用限值．

[1]Chaallal O，Brahim B．Fiber-reinforced plastic rebars for concrete applications[J]．Composites：Part B，1996（27B）：245-252．

[2]高丹盈，李趁趁，朱海堂．纤维增强塑料筋的性能与发展[J]．纤维复合材料，2002（4）：37-40．

[3]高向铃．钢筋混凝土粘结锚固的研究进展[J]．结构工程师，2001（2）：29-33．

[4]BrahimBenmokrane，EhabEl-Salakawy，AmrEl-Ragaby．DesigningandtestingofconcretebridgedecksreinforcedwithglassFRPbars[J]．Journal of bridge engineering，2006（11）：217-229．

[5]中国冶金建设协会．GB 50608-2010，纤维增强复合材料建设工程应用技术规程[S]．北京：中国计划出版社，2011．

[6]GB/T 50152-2012，混凝土结构试验方法标准[S]．北京：中国建筑工业出版社，2012．

[责任编辑 杨屹]

Experimental study on fatigue behavior of concrete slabs reinforced with glass fiber reinforced polymer(GFRP)bars

ZHAO Jun1，WU Hao2，SUN Hongxian3，ZHANG Fei1

(1.College of Mechanical and Engineering Science,Zhengzhou University,Henan Zhengzhou 450001,China;2.SIPPR Engineering Group Co Ltd,Henan Zhengzhou 450007,China;3.Yunnan Yunling expressway traffic science and technology Ltd,Yunnan Kunming 650000,China)

Based on the fatigue test of GFRP bars reinforced concrete slabs,the effects of the fatigue cycles on residual load-carrying capacity,deflection at mid-span,GFRP bar strain,compressive concrete strain and development of cracks were analyzed.Test results indicate thatunderfatigueloads,with theincreasingoffatiguecycles,the mid-spandeflection, GFRPbarstrain andcompressiveconcretestrainofthespecimencorresponding to theupperload increase,the crackwidths increaseobviously.After thefatiguecycles of2 millions,the residual load-carrying capacityis as lowas 67%that of specimen under static load.

slab;glass fiberreinforced polymer(GFRP)bars;deflection;strains;fatiguecycles;residualload-carrying capacity

TU528.572

A

1007-2373(2015)05-0115-04

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.05.024

2014-09-17

高等学校博士学科点专项科研基金（20124101110014）；河南省高校科技创新团队支持计划（15IRTSTHN026）

赵军（1971-），男（汉族），教授，博士，zhaoj@zzu.edu.cn．