FRP配筋混凝土路面结构力学性能试验分析

张 旭 魏 君 李 伟

（中国建筑土木建设有限公司，北京 100071）

0 引言

混凝土结构是一种由水泥、砂、石等材料按照一定比例组成的砼结构，因其成本较低和制作工艺简单而被广泛应用在建筑工程中，常被浇筑成各种大小、形状不一的构件供建筑工程使用。但在使用过程中发现其具有某些严重的弱点，极容易开裂，整体韧性较差，而FRP是一种优质的纤维增强复合材料，具有良好的力学特性，因此常被用在混凝土路面结构中，起加固、提高韧性的作用，避免混凝土构件开裂。添加了FRP的混凝土构件被称为FRP配筋混凝土路面结构，具有优于常规路面结构的力学性能。但随着FRP层数的增加，该路面结构的力学性能会逐渐发生改变，容易给实际路面施工造成一定的影响。研究表明，FRP配筋混凝土结构在承受较高荷载时，其内部的状态会发生受压性改变，出现较明显的约束作用，形成抗压强度、刚度等不同的应变力，为了确定FRP配筋混凝土路面结构的力学性能差异及应力关系，该文进行了力学性能试验分析。

1 混凝土核心试件选取

选取温度为200℃、300℃、400℃、500℃、600℃的混凝土核心试件进行分析，并使用碳纤维复合材料（carbon fiber reinforced plastics，CFRP）、芳纶纤维（amplified fragment random polymorphism，AFRP）、强化玻璃纤维材料（glass fiber reinforced plastic，GFRP）进行加固。为了提高试验的有效性，该文选取P.O.32.5硅酸盐，并将其与水混合，此时浇筑的核心试件直径为150mm，高度为350mm，静置24h后脱模。为了避免核心试件黏连，需要预先对其进行养护，黏贴脱模布，再进行试件分组，规划试件的FRP配筋类型，第一组试件的参数如表1所示。

表1 试件分组I

由表1可知，第一组共有6个试件，其纤维布类型不同，加固方式类似，对剩余的混凝土试件进行黏贴处理，形成第二个试件分组，如表2所示。

由表2可知，上述分组形成的混凝土试件结构存在一定的差异，纤维布黏贴次序也不同，全部试件均采用全部包裹法进行加固，加固纤维宽度一致。为了避免试件前端在力学性能分析的过程中损伤，需要粘贴50mm碳纤维条，结合试验需求可以选取不同的加固纤维布，性能参数如表3所示。

表2 试件分组II

表3 FRP加固纤维布

结合表3的加固纤维布性能，可以选取试验环境，该文使用INSTRON力学性能伺服仿真系统进行试验分析。在试验过程中，根据混凝土试件试验标准进行参数控制，精准测量不同层FRP的应变力学性能。测量结果表明，随着应变程度增加，不同FRP配筋结构层的应力变化趋势拟合，符合该文的力学性能试验分析需求，此时可以进一步进行路面结构力学性能分析。

2 试验过程及方法

结合上述试验准备，首先使用特征分析法分析FRP配筋混凝土路面结构试件特征，其次使用对比法判断混凝土试件的承载力，最后使用变形约束法判断试件的力学性能，得出FRP配筋混凝土路面结构的力学性能关系。

在提取FRP混凝土路面结构试件破坏特征时，需要结合DILGER原理计算FRP混凝土路面结构试件的破坏强度，如公式（1）所示。

式中：代表初始荷载，代表应变力，f代表动态变化力。

此时路面结构试件存在动态破坏应变率F，如公式（2）所示。

式中：代表平均荷载。

此时可以根据GBJ10-89标准，计算不同试件的初始强度B，如公式（3）所示，再得到试件破坏后的平均强度b，如公式（4）所示。

式中：代表侧向应力，代表水平应力，代表应变速率。

此时根据上述计算的数值可以设置不同的环向约束，随着荷载的增加会发生纤维断裂，断裂示意图如图1所示。

图1 纤维断裂示意图

由图1可知，随着荷载的增加，纤维断裂的程度也在不断加大，为了保证力学性能分析的有效性，需要对选取的FRP混凝土构件进行加固处理。第一阶段断裂原因主要是混凝土内部受负荷形变，导致纤维布被拉断，产生脆性破坏，导致纤维裂缝。第二阶段～第四阶段的断裂主要由于混凝土内部FRP纤维严重断裂，产生延性破坏，导致试件裂缝。第五、第六阶段构件的核心混凝土断裂，导致大面积纤维裂缝。根据试件的断裂特性，可以进一步使用对比法分析混凝土试件的核心承载力，将试件分为FRP约束及HFRP约束两组。为了避免试验偏差，两组试件的制作方法一致，为了判断力学性能关系，首先分析FRP混凝土抗压承载力峰值，如表4所示。

由表4可知，此时约束试件的承载力在不同程度上增加了，增加的程度随着试件编号呈不规律变化，此时将HFRP与FRP进行对比，得到的抗压承载力如表5所示。

将表5的承载力结果与表4进行对比可知，和没有进行约束的混凝土试件相比，约束后试件的应变峰值均得到了不同程度的提高，且提高的程度与FRP加固结构相关，聚乙烯纤维布对承载峰值的提高程度远高于其他几种纤维布。C1PE1试件属于临界试件，即该试件的峰值介于约束与非约束之间，与其实际变形性能相关，该试验使用INSTRON力学性能伺服仿真系统进行力学加载，设置一个敏感性测量试验机，能缓慢地控制试件的状态，使试件发生不同程度的形变，此时可以绘制应力形变曲线，如图2所示。

表4 FRP混凝土抗压承载力峰值

表5 约束混凝土抗压承载力

图2 应力形变曲线

由图2可知，此时试件A2的轴向压力峰值最高，证明A2的承载力最高，但其在达到极限承载力后迅速断裂，导致其承载力迅速下降。而试件P0的初始承载力最低，但其极限承载力较高，不会出现严重的断裂，因此其承受的轴向压应力较稳定。试件C2则与A2相似，达到极限承载力后迅速断裂，导致其承受的轴向压应力下降。但与A2不同的是，C2试件达到极限承载力的耗时较长，变形性能高于A2试件。这也证明单一CFPR/AFPA对混凝土路面结构进行约束时，存在良好的增强效果，但增韧效果较差，容易断裂，添加了FRP后混凝土的韧性明显提高。接下来随机抽取几个试件进行第二阶段试验，设置应变上升段、强化段，此时得到的应力-应变曲线如图3所示。

由图3可知，试件A1B1最快到达极限承载，但由于添加了FRP，其韧性得到大幅度增强，达到极限承载力后也未发生断裂，相反其轴向压力高于达到极限承载前的压力。P0试件则在到达极限承载时出现了轻微断裂，影响其承载的轴向压力。C1G1试件的极限承载较低，但未发生断裂变形，到达极限承载力后轴向压力也趋于稳定。B2试件与C1B1试件相同，其承载力较低，也出现了不同程度的断裂，因此这两种试件的力学性能相对较差。

图3 应力-应变曲线

结合上述不同阶段的应力形变曲线可知，在加载初期，HFRP对混凝土的约束作用力相对较低，随着混凝土侧向变形力的增加，其约束作用也越来越明显。在达到极限荷载值后会出现不同程度的破坏，此时的承载力下降较快，部分试件存在严重变形，这也进一步证明了FRP层数与混凝土试件的力学关系。该文使用Δ代表FRP的增韧约束效果，计算式如公式（5）所示。

式中：∂代表FRP混凝土试件约束峰值应变，∂代表未约束混凝土试件的峰值应变。此时可以使用该增韧约束效果进一步判断FRP层数与配筋混凝土路面结构的抗压强度、极限应变、初始刚度等力学特征之间的关系。

3 性能试验分析结果

根据FRP约束应力原理及上述试验过程可以进行应变力假定，对选取的FRP配筋混凝土结构层进行分组，此时得到的约束应力应变关系如图4所示。由图4可知，（）代表极限应力，此时该应力应变曲线第一段与第二段存在相似斜率。因此，此时的抗压强度和极限形变存在一定的线性关系。结合上述模型可以得出此时不同层FRP混凝土的抗压强度、极限应变和初始刚度，性能分析结果如表6所示。由表6可知，随着FRP配筋混凝土层数的增加，其抗压强度、极限应变、初始刚度均在不断改变，其抗压强度极限形变呈正向增长，初始刚度则反向增长，这也证明FRP配筋混凝土路面结构符合应力-应变力学性能关系。

表6 性能分析结果

图4 约束应力应变关系

4 结语

综上所述，混凝土结构因其较低的成本及良好的性能被广泛地应用在路面施工中，但由于其有容易开裂、韧性较低等缺点，需要使用FRP进行加固。但FRP配筋混凝土加固情况与其力学性能差异有关，因此需要确定其应力关系。该文对FRP配筋混凝土路面结构进行了力学性能分析，分析结果表明，随着FRP配筋混凝土层数的增加，其各项力学指标均在不断改变，证明FRP配筋混凝土结构符合应力-应变力学性能关系。