GFRP筋混凝土圆截面梁抗弯力学性能研究

【摘要】玻璃纤维增强复合材料（Glass Fiber Reinforced Polymer；简称GFRP）是一种具有良好受力性能和耐久性能的新型工程材料，近年来在边坡支护工程、基坑支护工程等反面得到广泛应用。本文主要针对基坑支护采用的圆形GFRP筋混凝土圆截面支护桩在荷载作用下的抗弯力学性能进行实验研究。

【关键词】GFRP筋梁；抗弯力学性能；圆截面

1、引言

玻璃纤维（GFRP）筋具有耐腐蚀、强度高、质量轻、耐电磁、易切割等优点，是一种既能防腐又有良好力学性能的混凝土增强材料，已广泛用于工程结构建设。GFRP筋材主要优点是制造成本低，同时强度高、绝缘性能好。不仅可用于腐蚀严重的环境中，提高混凝土结构的耐久性。

针对基坑支护结构的圆形GFRP筋混凝土圆截面支护桩基本力学性能研究较少，本文开展了以GFRP筋混凝土圆截面梁在荷载作用下的裂缝分布、极限承载力、应力应变变化情况和破坏形式研究，分析了GFRP加筋混凝土梁的荷载—变形关系、应力应变分布、裂缝分布、极限承载力和破坏形式等，为进一步在基坑支护等工程中开展应用提供了试验参考。

2、试验方案

2.1 试验概况

本文根据工程中比较常用的GFRP筋混凝土圆截面支护桩尺寸选择试验梁尺寸，并根据相关理论对模型量的弯矩极限值、最大剪力进行计算，试验制作试验梁1#、2#、3#进行平行试验，梁长6米，截面直径800毫米，混凝土设计强度等级为C30，配筋主筋采用12φ20 GRRP筋，配筋率1.33%，箍筋采用R235级直径10mm的钢筋，混凝土保护层厚度50mm，预估弯矩极限值256 kN·m，预估最大剪力530kN，模型梁箍筋布置如图2.1所示。

2.2 加载装置

加载装置提供的构件预估弯矩极限值719kN.m，推算单个反力架拉力为287.6kN，因此试验中采用了50t的反力架两个，大行程加载千斤顶，可满足试验要求。室内试验加载方式如图2.2所示。

为了方便圆形截面梁的放置和加载，在梁的支撑、加载位置，试验前根据截面的尺寸定做了钢支座和加载箱。此外，在加载过程中，结合各梁的截面尺寸、长度和对加载设备的要求，在上述加载图式基础上，对不同截面梁的支撑位置、加载位置进行了微调，计算结果基于微调后的加载参数，对加筋梁性能分析无影响。

2.3 传感器布置及试验仪器

2.3.1 传感器断面布置

试驗主要采集的数据包括荷载大小、应变分布和结构变形，相应的传感器分别为压力传感器、电阻式应变计和位移传感器，同时配备相应的采集仪。传感器布置如图2.3所示。

对于圆形截面梁，在跨中截面粘贴电阻式应变计，具体布置情况如图2.4所示。所有钢筋应变片在绑扎钢筋阶段进行布设，并采取了有效的保护措施。

2.4 试验方法及步骤

1.试验前对各构件进行理论分析，掌握构件的理论开裂荷载和极限破坏荷载。

2.根据开裂、极限破坏荷载进行合理的荷载分级，为获得较好的荷载—挠度曲线，在开裂荷载附近及钢筋屈服（条件屈服）附近，对荷载分级进行加密。

3.试验步骤：

（1）试验前将有关传感器粘贴好（钢筋应变计在浇筑混凝土前预埋）；

（2）混凝土表面用石灰刷白，打上方格网；

（3）将试验梁架设到试验平台上，调试加载设备和数据采集仪；

（4）进行初读数，分级加载，每一级读取荷载值、应变值和变位，观察裂缝开展情况，在梁表面进行标示。

2.5 混凝土强度评定

试验梁混凝土浇筑采用同一批混凝土，混凝土强度一方面通过同条件养生试块进行试验，另一方面对部分试验梁在试验后进行取芯进行测试。考虑到加载对混凝土性能的影响，取芯位置设在梁的端部附近。从最终试验结果看，试块强度与设计要求强度基本吻合，但取芯强度离散性较大。

3、试验结果及分析

3.1裂缝发展情况

由试验结果记录的各梁裂缝随荷载变化情况，可以看出，达到极限荷载后，在中部出现裂缝并逐渐延伸、扩大，破坏前裂缝宽度在0.96～1.24mm之间，其裂缝发展规律和传统钢筋混凝土梁类似。

3.2受力全过程及极限承载能力

由1#、2#、3#梁破坏形态及内部GFRP-混凝土粘结情况分析整个加载过程，破坏位置出现在梁重点位置附近，破坏后出现了GFRP、混凝土玻璃的情况，部分暴露出来的GFRP筋尚未破坏。1#、2#、3#梁的荷载-挠度曲线如图3.1所示，可以看出受力过程明显可分为两个工作阶段：全截面弹性工作阶段、曲线发展阶段直至接近破坏，第一阶段施加荷载大小约为160kN左右，随后进入曲线发展阶段，梁跨中弯矩值达到456kN.m，比预期承载能力大146%。1#、2#均达到抗弯破坏，3#梁在卸载过程中又出现粘结破坏如图3.2所示。

3.3应变情况

3.3.1钢筋应变

各梁钢筋应变发展情况与荷载挠度曲线基本相一致，在梁出现裂缝后，钢筋应变出现转折。在试验中GFRP钢筋的最大应变达到17800με，按弹模40GPa计算，钢筋应力水平为 712MPa。

3.3.2 混凝土应变情况

混凝土受压上缘粘贴有一个应变片，实测压应变情况如图3.4所示。从整个应变曲线可以看出，整个试验过程可分为破坏前和破坏后两个阶段，破坏前曲线大致呈线性，应变值达到3100με左右，梁破坏后应变急剧变小，中间无缓变过程。

结论：

（1）全GFRP筋梁的受力过程有两个工作阶段：①全截面弹性工作阶段；②曲线发展阶段直至接近破坏，第一阶段施加荷载大小约为160kN左右，随后进入曲线发展阶段，梁跨中弯矩值达到456kNm，比预期承载能力大146%，表明全GFRP筋梁抗弯力学性能基本满足工程需求；

（2）梁达到抗弯承载能力时，GFRP钢筋的最大应变达到17800με，与普通钢筋梁的相当；

（3）试验中观测到3#梁达到承载能力后，在卸载过程中发生筋材与混凝土之间的粘结破坏，有必要进一步改进GFRP筋与混凝土的粘结，研究在持久荷载作用下，结构的受力性能。

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作者简介：

谢涛，广西建工集团基础建设有限公司，广西南宁。