孙 丽,王 超,杨泽宇,张春巍,乔丕忠

(1.沈阳建筑大学土木工程学院,辽宁 沈阳 110168;2.青岛理工大学土木工程学院,山东 青岛 266033)

在工业与民用建筑领域里,钢筋混凝土结构广泛应用于各类工程中,但一些处于腐蚀环境下的建筑物,钢筋会发生严重腐蚀,较大地影响了建筑物的耐久性能,对结构造成了严重的破坏[1-4]。为了解决钢筋锈蚀对建筑物耐久性能的不利影响,国内外专家经过多年研究,提出将纤维聚合塑料(Fiber Reinforced Polymer,FRP)应用在混凝土结构中,可以有效地解决钢筋锈蚀的问题[5-14]。

FRP筋与混凝土之间良好的粘结性能是二者可以协同工作的基础。近年来,国内外专家对FRP筋与混凝土之间的粘结性能进行了大量研究。薛伟辰[15]基于标准拉拔和梁式试验,探讨了两种试验方法对FRP筋与不同种类混凝土之间粘结强度的影响,建立了FRP筋与混凝土粘结滑移本构关系模型,并给出了曲线上特征点的含义及滑移量的计算公式。欧进萍[16]通过拉拔试验发现,混凝土强度较高时试件发生FRP筋剪切破坏;混凝土强度较低时,试件主要发生混凝土劈裂劈坏。高丹盈[17]通过拉拔试验研究混凝土强度对粘结性能的影响时发现,FRP筋混凝土之间粘结应力的增长规律不符合普通钢筋混凝土之间粘结应力的增长规律,且FRP筋与混凝土之间的粘结应力与相对粘结面积有关,直径越大,相对粘结面积越小,粘结应力越小。孙丽[18]通过拉拔试验发现,在混凝土拌合物中掺杂纤维,可以提高FRP筋与混凝土之间的粘结性能。王磊[19]通过标准拉拔试验研究粘结长度对粘结性能的影响时发现,粘结应力沿着粘结长度分布不均匀,导致粘结应力随着粘结长度的增加而明显降低。

从国内外粘结滑移试验研究中发现,在粘结失效模式中,混凝土劈裂破坏使构件的承载力降低,影响结构的安全性和使用性,这说明拔出破坏是理想的破坏形式。Losberg拉拔试验是通过承压板将力传至混凝土,减小了裂缝发生的可能性,进而提高了粘结强度;而实际结构在受力后变形发展是不受外部承压板限制的,因此该试验方法得到的粘结滑移性能与实际结构受力情况不完全相符。2017年,沈阳建筑大学孙丽提出了一种新型粘结滑移试验方法——双筋轴心对拉试验方法。此方法在两端FRP筋上加载,荷载直接由FRP筋传递到混凝土,端部没有承压板的限制,与结构实际受力情况相符。但由于双筋对拉试件在浇筑过程中不容易保证受力的对拉筋完全处于同一轴线上,导致试验过程中得到的数据不够准确。基于此,笔者在双筋对拉试验基础上,提出四筋对拉试验方法,该方法即保证了试件粘结滑移情况尽可能的与实际结构受力相符,又可以减小试验误差,得到的试验数据更加准确。

1 四筋对拉试验粘结滑移试验

1.1 试件设计

四筋对拉试件的长×宽×高为300 mm×300 mm×150 mm,试验使用一对长×宽×高300 mm×150 mm×20 mm的钢板作为传力装置,钢板两端各有两个固定FRP筋的凹槽,可以同时对两根FRP筋进行加载,每个钢板中心焊一根长为100 mm、直径为22 mm的螺纹钢,主要作用是将拉力传到FRP筋上(见图1)。试验装置为沈阳建筑大学的万能试验机,该试验机自身具有数据采集系统,可以将试件加载端所受的力和位移进行动态采集。试件制作时,将其中一个钢板的螺纹钢一侧夹在试验机的固定端夹头上,再将试件自由端的两根筋从一侧放入钢板的U形口位置,并将加载端一侧钢板的两个U形口套住GFRP筋,使用锚具将两端的GFRP筋固定,最后通过试验机的加载端夹头夹住钢板焊接的螺纹钢,试件安装完成。加载方式为位移控制加载,速度为0.2 mm/s,在GFRP筋自由端布置一个百分表,用以监测筋自由端的位移。试验装置见图2。

图1 四筋对拉试验Fig.1 Quadratic-bar symmetric pull-out test

图2 试验装置Fig.2 Test device

1.2 粘结应力计算公式

传统粘结滑移试验的粘结应力计算方法为FRP筋的极限荷载Fmax与单根FRP筋粘结段表面积S的比值:

(1)

式中:τ0为FRP筋粘结强度实测值,MPa;Fmax为FRP筋破坏的最大荷载实测值,kN;d为FRP筋公称直径,mm;la为FRP筋埋入长度,mm。

四筋对拉试验的粘结应力计算方法为FRP筋的总极限荷载Fmax与两根FRP筋粘结段表面积的比值:

(2)

对比式(1)、式(2)可知,四筋对拉试验同时研究4根FRP筋的粘结应力。由于混凝土是一种非均质材料,FRP与混凝土之间粘结存在着一定的非线性,单筋拉拔的粘结试验结果必然存在离散性,四筋对拉试验可以保证FRP筋与混凝土之间的粘结应力研究在同样条件下得到的试验数据更准确,进而减小试验误差。

2 GFRP筋与混凝土粘结滑移性能试验

笔者采用Losberg拉拔试验、双筋对拉试验、四筋对拉试验三种试验方法进行研究,每种试验分为5组,每组3个试件,共45个试件。试验采用海宁安捷复合材料有限责任公司生产的GFRP筋,极限抗拉强度为730 MPa,玻璃纤维体积分数约为70%,树脂体积分数约为30%,试验采用带肋GFRP筋,混凝土强度设计等级为C30。试验加载设备为电液伺服万能试验机,最大拉力为300 kN,最大行程为1 000 mm,粘结荷载和滑移量自动实时采集。试件参数见表1。

表1 拉拔试件参数Table 1 List of pull-out specimens

3 试验结果与分析

3.1 试验现象及破坏形式

Losberg拉拔试件与双筋对拉试件的破坏形式主要表现为GFRP筋的拔出破坏,破坏形式分为两种:GFRP筋肋剪切破坏(见图3(a))和GFRP筋肋间混凝土剪切破坏(见图3(b))。从图3(a)可以看出,对于破坏形式为GFRP筋肋受剪破坏的试件,其内部GFRP筋的粘结段破坏明显,筋肋几乎被混凝土磨平。发生此种破坏现象的试件,通常其GFRP筋直径较小,且筋肋的抗剪强度低于混凝土抗剪强度。从图3(b)可以看出,GFRP筋肋间混凝土发生剪切破坏,随着筋体拔出,带出少量混凝土碎渣,发生此种现象的试件多为GFRP筋直径较大,肋间形成较高的楔形混凝土,此处混凝土抗剪强度较低,容易发生肋间混凝土剪切破坏现象。

图3 GFRP筋与混凝土粘结破坏形式Fig.3 Failure characteristics of GFRP bar-to-concrete axial pull-out bonded specimens

四筋对拉GFRP筋与混凝土粘结破坏形式如图4所示。从图中可以看出,四筋对拉试件破坏形式从外观来看主要发生了GFRP筋的拔出破坏和混凝土局部劈裂破坏,剖开发生拔出破坏的试件,发现内部破坏与轴心拉拔试验破坏方式相同,均发生GFRP筋肋剪切破坏(见图4(a))和肋间混凝土剪切破坏(见图4(b)),并且参数相同的试件发生破坏方式相同,但与轴心拉拔试验相比,四筋对拉试验的粘结应力较小。试验中只有极少数试件发生了局部劈裂破坏(见图4(c)),发生此种破坏的试件,GFRP筋直径较大,分析原因是GFRP筋直径较大,在较大的拉拔力作用下,试件发生破坏,混凝土的劈裂抗拉强度较低,试件发生破坏时达到了混凝土的劈裂抗拉强度,进而造成混凝土的局部劈裂破坏。

图4 四筋对拉GFRP筋与混凝土粘结破坏形式Fig.4 Failure characteristics of GFRP bar-to-concrete quadratic-bar symmetric pull-out bonded specimens

3.2 荷载-滑移曲线

由式(1)和式(2)计算得到GFRP筋与混凝土之间的粘结强度结果见表2。GFRP筋破坏典型粘结滑移曲线如图5和图6所示,图中曲线为平均粘结应力。从图中可以看出,四筋对拉试验和双筋对拉得到的粘结滑移曲线总体比Losberg试验曲线低,并且滑移量小。分析原因是Losberg试验中端部的承压板装置限制了混凝土开裂,进而提高了混凝土与GFRP筋之间的粘结应力。

表2 拉拔试验结果Table 2 Comparison result of pull-out tests

图5 拔出破坏典型粘结滑移曲线Fig.5 Typical bond slip curves of pull-out failure

图6 劈裂破坏典型粘结滑移曲线Fig.6 Typical bond slip curves of splite failure

GFRP筋混凝土粘结滑移破坏主要有两种形式,一种是拔出破坏,其粘结滑移曲线上皆有完整的波峰(见图5),出现一个波峰后GFRP筋肋或其肋间的混凝土被剪坏,因此之后的第二个、第三个波峰值均比第一个波峰小很多。三种试验得到的是具有相同趋势的典型粘结滑移曲线,发生拔出破坏的试件粘结滑移曲线分为O-A微滑移端、A-B滑移段、B-C微上升段、C-D下降段、D-E残余段五个部分。另外一种是劈裂破坏,典型粘结滑移曲线只有上升段(见图6),粘结滑移曲线只有O-A1滑移段、A1-B1滑移段和B1-C1上升段。

3.3 四筋对拉试验与传统试验粘结应力对比

将四筋对拉试验所得到的粘结应力与双筋轴心对拉试验和Losberg试验所得到的粘结应力进行对比,结果见图7。从图中可以看出,直径和粘结长度对不同试验方法所得到的粘结应力影响较小,Losberg试验所得到的粘结应力最大,四筋对拉试验和双筋对拉试验得到的粘结应力基本相同。当GFRP筋直径为12 mm、粘结长度为5d时,四筋对拉试验得到的粘结应力比Losberg拉拔试验和双筋轴心对拉试验得到的粘结应力分别降低了18%和3%。这也证明了Losberg拉拔试验要通过承压板来传递反力,造成混凝土受压,并且承压板不是绝对光滑的,对混凝土产生“套箍效应”,限制其开裂,进而提高了GFRP筋与混凝土之间的粘结应力,因此Losberg拉拔试验测得的粘结应力会比另外两种试验大。混凝土当中的GFRP筋受拉的时候端部并未有承压板作用,Losberg试验方法的受力情况与实际工程受力情况相差较大,并且试验结果大于实际情况,偏于不安全。

图7 三种试验方法粘结应力对比Fig.7 Comparison of bond stress of three different test

四筋对拉试验是在双筋轴心拉拔试验的基础上提出来的,四筋对拉试验方法即可以保证GFRP筋的受力情况更符合实际,也克服了双筋对拉试验的轴心对中问题造成的试验误差,同时得到的粘结应力是4根GFRP筋的平均粘结应力,可以减小试验误差,得到的数据更准确。

4 结 论

(1)笔者基于Losberg试验和轴心对拉试验,提出四筋对拉试验,四筋对拉试验方法可以减小GFRP筋与混凝土之间粘结应力的试验误差,得到的试验数据更准确。

(2)同样条件下,四筋对拉试验和双筋对拉试验得到的粘结滑移曲线低于Losberg拉拔试验的粘结滑移曲线。

(3)Losberg拉拔试件与轴心对拉试件的破坏形式为拔出破坏,四筋对拉试件的破坏形式为拔出破坏和局部劈裂破坏。