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GFRP筋混凝土梁在静、冲击荷载作用下的受力性能试验研究
M. Goldston, A. Remennikov, M. Neaz Sheikh
卧龙岗大学土木、矿业与环境工程学院，澳大利亚
摘要
复合材料，包括纤维增强聚合物（FRP）筋，已经取代传统的钢筋在土木与结构工程行业的势头。FRP材料具有耐腐蚀、绝缘性、重量轻、纵向拉伸强度高的优点，有利于在土木基础设施中应用。本文介绍了玻璃纤维（GFRP）筋作为内部钢筋对混凝土梁性能的影响的实验研究结果。对梁的静态和动态（冲击）行为进行了研究。共设计、浇铸和试验了十二根GFRP钢筋混凝土梁。在静载下测试了六根GFRP钢筋混凝土梁的破坏模式和相关的能量吸收能力。余下的六个GFRP钢筋混凝土梁在冲击载荷下使用了卧龙岗大学的落锤试验机进行测试。具有较高配筋率的GFRP钢筋混凝土梁在开裂后的抗弯刚度较高，在静载作用下经历了弯曲临界破坏。然而，GFRP钢筋混凝土梁在冲击荷载作用下，无论其抗剪承载力如何，都经历了冲击区周围的“剪力塞”型破坏。确定了梁的能量吸收能力。平均动态放大系数计算为1.15，表明较高的动态力矩能力相比，静态力矩容量（15 - 20%增加）。配筋率和混凝土强度对GFRP钢筋混凝土梁的受力性能有影响。
1. 引言
纤维增强聚合物（FRP）筋是一种创新的解决方案和可行的替代传统的钢筋结构的土木工程结构。玻璃纤维是由纤维增强的聚合物基体制造的复合材料，通常是玻璃（玻璃纤维增强聚合物、GFRP）、碳纤维（碳纤维增强聚合物、CFRP）或芳纶（芳纶纤维增强聚合物、AFRP）。聚合物基体通常是一种环氧树脂，它与纤维结合。FRP筋的优点包括低重量比强度（钢密度的1/5-1/4倍）、高纵向拉伸强度和非磁性特性。虽然FRP加固的初始成本高于钢筋，但FRP加固的结构或结构构件的总生命周期成本较低，因为FRP加固的结构或构件需要显著降低维护成本。
FRP已被广泛用于加强结构构件，包括将FRP板或板作为外部加强件应用于梁和板的外表面。此外，FRP板已被用于修复受损钢筋混凝土（混凝土）柱。使用FRP作为外部加固不仅提供额外的强度，而且还提供了对劣化结构的约束。FRP筋也被用作钢筋混凝土梁和楼板中的内部钢筋。FRP筋在民用基础设施中的应用对海洋和盐环境中的结构特别有利。由于FRP是一种非腐蚀性材料，它们由于暴露于除冰盐而具有耐腐蚀性。值得注意的是，对于传统的钢筋混凝土结构，暴露于恶劣环境（包括湿气和温度）会降低混凝土的碱度，并导致钢筋的腐蚀，最终导致可使用性和强度的损失。内部FRP加固也有利于提高梁的承载能力，特别是对于用高强度混凝土构造的梁。提高FRP抗拉强度是提高承载力和控制挠度的关键因素。
GFRP钢筋混凝土梁与等效钢筋比的钢筋混凝土梁相比，具有更高的挠度和更大的裂缝宽度。这是因为GFRP加固的低弹性模量（35-51 GPa），正如美国混凝土协会委员会（ACI）中用FRP筋加固的结构混凝土的设计和建造指南中所记载的那样。此外，FRP筋表现出线性弹性行为直至失败，而不表现出任何屈服，不像钢钢筋的行为。因此，FRP钢筋混凝土梁在荷载作用下经历了一个双线性的荷载-挠度关系直至破坏，其中钢筋混凝土构件不能表现出延性破坏。此外，由于FRP材料的刚度较低，FRP钢筋混凝土梁比传统的钢筋混凝土混凝土梁显示出较低的后开裂弯曲刚度。
因此，为了防止FRP可能是灾难性且不可预知的破裂，建议将梁设计为混凝土受压破坏（过加强）。这种类型的破坏也被分类为脆性，但更适合FRP钢筋混凝土受弯构件。为了弥补延性的不足，FRP钢筋混凝土受弯构件的设计安全系数高于钢筋混凝土受弯构件的安全系数。对于FRP破裂来控制设计，推荐强度折减系数为0.55。对于过强FRP钢筋混凝土梁，强度折减系数取决于配筋率和平衡配筋率。值得注意的是，用FRP筋加固的梁比用钢筋加固的梁承载更高的荷载。因此，为了控制挠度率，FRP钢筋混凝土梁在拉力区需要较高的配筋率。
对于FRP钢筋混凝土梁在静载作用下的性能，以往的研究主要研究CFRP或GFRP筋双筋FRP钢筋混凝土梁的受力性能。混凝土的抗压强度保持相对恒定。混凝土的抗压强度主要在30-47 MPa之间。科布雷耶等人研究了混凝土抗压强度为95 MPa的钢筋混凝土梁中GFRP剪力链的受力性能。FRP钢筋混凝土梁在混凝土抗压强度方面的差异是明显的。然而，只有有限数量的研究系统地研究了混凝土抗压强度对GFRP钢筋混凝土梁性能的影响。
在文献中研究了钢筋混凝土混凝土梁的动力性能。在冲击载荷下，研究表明，无论钢筋混凝土梁的抗剪承载力如何，梁在冲击区内都表现出严重的斜向剪切裂缝。设计用于较高剪切能力的梁表现出吸收更多能量的能力。Ohnuma等人观察到落锤速度是梁破坏（剪切破坏）的一个重要因素。在较低的速度下，梁表现为弯曲临界类型的破坏，而在较高的速度下观察到临界剪切开裂。虽然在冲击荷载作用下钢筋混凝土混凝土梁的性能得到了广泛的研究，但迄今为止还没有关于GFRP 混凝土梁在冲击荷载作用下的性能的研究。
在这项研究中，总共浇铸了十二个GFRP钢筋混凝土梁，并在静态和冲击载荷下进行了测试。对混凝土强度和配筋率的影响进行了研究。用标称28天混凝土抗压强度为40 MPa浇铸六根梁，其余六块浇注标称28天混凝土抗压强度为80 MPa。采用GFRP筋作为受弯钢筋。梁被加倍加固。值得注意的是，ACI不建议使用FRP筋以压缩强度低至抗拉强度比。然而，在许多情况下，不能避免压缩钢筋，例如，提供箍筋的稳定性以形成钢筋笼。研究了GFRP钢筋混凝土梁在荷载-挠度关系、裂缝模式、能量吸收能力和破坏模式下的破坏行为。
2试验项目
2.1材料性能的初步测试
对直径为100毫米和高度为200毫米的混凝土圆柱体进行了混凝土抗压强度试验。在28天和静态和冲击试验的当天测量混凝土的抗压强度。本文报道了三个圆柱体的平均抗压强度。在试验方案中使用了两种不同抗压强度的混凝土。平均混凝土抗压强度在第二十八天约为40 MPa和80 MPa。
根据美国测试与材料协会（ASTM），对三个钢棒试件进行了剪切连接件的拉伸性能测试。本文报道了三个试件的平均值。平均抗拉强度和屈服强度分别计算为645 MPa和615 MPa。
共测试了九根GFRP棒试样的拉伸强度（fu）、弹性模量（Ef）和断裂应变（Efu）。GFRP筋的拉伸试验与常规钢棒的拉伸试验有很大的不同。由于GFRP加固的抗压强度较抗张强度低，钢锚固件用膨胀水泥灌浆Bristar100附着在试件的每个端部上，如ASTM推荐的。这为GFRP筋提供了均匀的压力，同时防止了拉伸载荷增加时的滑移。GFRP筋在每个端部使用圆形钢圈在钢锚中对齐。环的内径与GFRP棒试样的直径相同。GFRP筋用支撑架和夹具固定到位。
GFRP杆被定位在英斯特朗拉伸机的钳口中，并使用如图1所示的加压液压系统夹紧。所有标本均以1毫米/分钟的速度加载。在试样的中高度处安装了伸长计，以测量在自由长度（L）内的应变，定义为钢锚之间的长度。
所有GFRP拉伸试样加载直至失效。图2显示GFRP筋的失效模式。故障发生在杆的自由长度内，是由于纤维断裂和分裂。GFRP筋的应力-应变行为是线性的，直至图3所示的故障点。与钢筋不同，GFRP筋不显示明显的屈服条件。表1提供了包括钢锚长度（La）、拉伸试验试样的总长度（Ltot）和所有九个GFRP筋的拉伸试验结果的总结的试验样品的细节。值得注意的是，不同尺寸的FRP筋的力学性能可能因纤维体积分数、树脂类型、纤维取向和质量控制的变化而变化。
2.2.GFRP 筋混凝土梁的细节
如图4（a）所示，总共构造了12个GFRP矩形钢筋混凝土梁，截面尺寸为100times;150 mm，总长度为2400毫米。实验方案分为两个系列。采用第一系列六根梁研究了GFRP混凝土梁在静载（四点弯曲）下的受弯性能。研究的主要参数是载荷-挠度行为、能量吸收能力、裂纹模式和破坏模式。第二系列的六梁被用来研究梁的行为在冲击载荷（I）。主要目的是研究冲击力、动态中跨挠度、动态GFRP拉伸应变和包括惯性力和支撑反作用力在内的动态反作用力的影响。试验变量为纵向配筋率和混凝土抗压强度。使用三种不同直径的钢筋：6.35 mm，9.53毫米和12.7毫米，分别提供0.5%、1%和2%的配筋率。GFRP钢筋混凝土梁被设计为双重加强，两个GFRP筋放置在压缩和两个在张力区。如图4（b）所示，在直径为100毫米的中心处使用直径为4毫米的钢箍筋作为剪切加强件。所有GFRP钢筋混凝土梁有一个明确的覆盖15毫米在所有四个方面。
GFRP钢筋混凝土梁以A—B—C—D的形式标注。A（第一和第二字母）代表混凝土抗压强度，B（第三和第四字母）代表GFRP筋类型，C（第五和第六字母）代表钢筋比和D（SEVE）。第n个字母代表施加到GFRP钢筋混凝土梁的荷载类型（S代表静态荷载，I代表冲击荷载）。例如，表2的列1中的40 -alpha;-2-0.5-s代表了混凝土强度为40 MPa、GFRP加固直径为6.35 mm（alpha;2）、钢筋比为0.5%和在静载下测试的试验梁。表2提供了GFRP钢筋混凝土梁的细节，包括抗拉钢筋面积（AF）、有效深度（D）、设计名义弯矩能力（Mn）和设计破坏模式。
根据ACI设计了GFRP钢筋混凝土梁，研究了GFRP筋断裂（钢筋下）和混凝土破碎（超过加固）的破坏模式，假定混凝土中的最大可用压缩应变为0.003。采用矩形应力块法计算梁（Mn）的设计标称承载力，与钢筋加筋结构相似。ACI为Mn下加强部分提供了一种保守且简单的方法（因为ECU未达到）。利用材料试验结果的实验数据计算设计标称力矩容量（Mn）和比值rho;f=rho;fb。由于FRP钢筋混凝土梁的破坏，混凝土的FRP加固率（Rho;F）必须超过平衡配筋率（Rho;FB）。对于GFRP断裂来控制设计，rho;fb必须超过Rho;F。八根梁设计为过加强梁，两个为下加筋，其余两个梁设计为平衡配筋（Rho;F＝Rho;FB 1）；GFRP抗拉断裂与混凝土破碎同时发生，ECU 0.03）。rho;f=rho;fb的比值不是平衡失效GFRP 混凝土梁的精确值，而是接近于一个值。计算了GFRP 混凝土梁40--3-1.0 s（表2）的标称弯曲承载力为9.93 kN m。然而，对于具有1%钢筋比的类似的钢筋混凝土梁，设计标称弯矩承载力计算为8.25 kN m，假定钢材的屈服强度为500 MPa和弹性模量为200 GPa。
2.3测量工作
GFRP加固笼最初通过将GFRP纵向钢筋连接到钢箍筋在100毫米中心。为了测量拉伸钢筋的应变，去除了杆的外部砂涂层。这允许应变仪连接到GFRP筋的核心。应变仪被安装在每个拉伸钢筋的中心，以测量在静态载荷下测试的GFRP钢筋混凝土梁的加固的平均应变。只有一个应变仪连接到一个GFRP拉伸加固梁的冲击载荷下测试。固化后，在静载试验的GFRP钢筋混凝土梁的中跨上表面连接两个应变计，以测量混凝土在加载过程中的应变。测试数据在高速数据采集系统、冲击载荷Ni-PXI-1050和静载荷下的Ni-PXIE-1078中进行记录。值得注意的是，在冲击载荷下测试的GFRP钢筋混凝土梁由于落锤冲击应变仪的易感性，没有测量混凝土应变。
3试验准备
3.1静力测试
GFRP钢筋混凝土梁在静载作用下的试验设置涉及将梁置于两个钢横梁之间，跨度为2米，每一侧有一个200 mm的悬伸。梁被设置为具有简单支撑的条件，一端有销支撑，另一端具有滚子支撑。简支条件允许GFRP钢筋混凝土梁在荷载作用下偏转，如图所示。5和6。对GFRP钢筋混凝土梁进行位移控制，以1毫米/分钟的速度加载，在每个支座处施加667毫米的载荷，使用位于钢工字梁中心的钢球。在测试过程中使用的1000 kN液压控制称重传感器有一个较小的负载单元连接到下侧。较小的载荷单元捕获较小的荷载增量，应用于GFRP钢筋混凝土梁。用线性电位器测量每个GFRP钢筋混凝土梁的下侧跨中挠度。使用高速数据采集系统NI PXIE-1078记录测试数据。
在测试期间，标记裂纹并记录相应的载荷以检查梁在不同负载间隔下的行为。还研究了裂纹直至失效的顺序和模式
3.2冲击测试
对六个GFRP钢筋混凝土梁受到冲击载荷施加落锤装置。与静态测试装置相似，两个混凝土块被固定在地面上，以允许梁被简单地支撑并经受三点动态载荷，如图7所示。为了测量梁的电阻，首先对负载单元进行校准，并在GFRP 混凝土梁的两个支撑件下方定位凹辊。在每个支撑件周围使用橡胶带，以防止GFRP 混凝土梁在撞击过程中的回弹。落锤安装在低摩擦直线轴承上，并不是完全自由落体。然而，由于摩擦的损失是不显著的，这是通过使用高速摄像机标定落下砧的速度来证实的。使用电动电缆将落锤提升到适当位置。该系统包括离合器制动或停止质量中断供电。质量被连接到一根绳子上，绳子被拉开时，从电缆中释放出锤子。高速摄影机被用来捕捉在撞击区的损伤的进展和记录GFRP 混凝土梁的动态变形。相机的记录速率为每秒1000帧。使用高速摄像机视频记录的图像处理技术确定动态中跨挠度。冲击力使用称重传感器测量，定位在砧座和测试的GFRP钢筋混凝土梁之间。所有GFRP钢筋混凝土梁的落锤质量为110 kg，落锤高度为1200 mm。高速数据采集系统Ni-PXI-1050用于记录数据，频率为每秒50000个采样。
4试验结果与分析
4.1静载作用下的GFRP筋梁
所有GFRP钢筋混凝土梁在四点弯曲下的响应显示开裂前后的行为。最初，所有六个GFRP梁表现出高的弯曲刚度。然而，开裂后，由于GFRP筋的弹性模量低（37.5 GPa、55.6 GPa和48.6 GPa，GFRP筋分别为2、3和4），抗弯刚度显著降低。开裂后，挠度显著减小，导致梁的抗弯刚度显著降低，特别是对于GFRP钢筋混凝土梁，rho;f＝0.5%。对于GFRP混凝土梁40-beta;2-0.5-s，弯曲刚度从开裂到开裂后的下降率为92%，对于GFRP钢筋混凝土梁80-2-0.5 s，下降幅度为96%。但是，对于高强度混凝土（GFRP混凝土梁80-2-0.5 s），后开裂时的抗弯
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