FRP配筋混凝土路面結構力學性能試驗分析

張 旭 魏 君 李 偉

（中國建筑土木建設有限公司，北京 100071）

0 引言

混凝土結構是一種由水泥、砂、石等材料按照一定比例組成的砼結構，因其成本較低和制作工藝簡單而被廣泛應用在建筑工程中，常被澆筑成各種大小、形狀不一的構件供建筑工程使用。但在使用過程中發現其具有某些嚴重的弱點，極容易開裂，整體韌性較差，而FRP是一種優質的纖維增強復合材料，具有良好的力學特性，因此常被用在混凝土路面結構中，起加固、提高韌性的作用，避免混凝土構件開裂。添加了FRP的混凝土構件被稱為FRP配筋混凝土路面結構，具有優于常規路面結構的力學性能。但隨著FRP層數的增加，該路面結構的力學性能會逐漸發生改變，容易給實際路面施工造成一定的影響。研究表明，FRP配筋混凝土結構在承受較高荷載時，其內部的狀態會發生受壓性改變，出現較明顯的約束作用，形成抗壓強度、剛度等不同的應變力，為了確定FRP配筋混凝土路面結構的力學性能差異及應力關系，該文進行了力學性能試驗分析。

1 混凝土核心試件選取

選取溫度為200℃、300℃、400℃、500℃、600℃的混凝土核心試件進行分析，并使用碳纖維復合材料（carbon fiber reinforced plastics，CFRP）、芳綸纖維（amplified fragment random polymorphism，AFRP）、強化玻璃纖維材料（glass fiber reinforced plastic，GFRP）進行加固。為了提高試驗的有效性，該文選取P.O.32.5硅酸鹽，并將其與水混合，此時澆筑的核心試件直徑為150mm，高度為350mm，靜置24h后脫模。為了避免核心試件黏連，需要預先對其進行養護，黏貼脫模布，再進行試件分組，規劃試件的FRP配筋類型，第一組試件的參數如表1所示。

表1 試件分組I

由表1可知，第一組共有6個試件，其纖維布類型不同，加固方式類似，對剩余的混凝土試件進行黏貼處理，形成第二個試件分組，如表2所示。

由表2可知，上述分組形成的混凝土試件結構存在一定的差異，纖維布黏貼次序也不同，全部試件均采用全部包裹法進行加固，加固纖維寬度一致。為了避免試件前端在力學性能分析的過程中損傷，需要粘貼50mm碳纖維條，結合試驗需求可以選取不同的加固纖維布，性能參數如表3所示。

表2 試件分組II

表3 FRP加固纖維布

結合表3的加固纖維布性能，可以選取試驗環境，該文使用INSTRON力學性能伺服仿真系統進行試驗分析。在試驗過程中，根據混凝土試件試驗標準進行參數控制，精準測量不同層FRP的應變力學性能。測量結果表明，隨著應變程度增加，不同FRP配筋結構層的應力變化趨勢擬合，符合該文的力學性能試驗分析需求，此時可以進一步進行路面結構力學性能分析。

2 試驗過程及方法

結合上述試驗準備，首先使用特征分析法分析FRP配筋混凝土路面結構試件特征，其次使用對比法判斷混凝土試件的承載力，最后使用變形約束法判斷試件的力學性能，得出FRP配筋混凝土路面結構的力學性能關系。

在提取FRP混凝土路面結構試件破壞特征時，需要結合DILGER原理計算FRP混凝土路面結構試件的破壞強度，如公式（1）所示。

式中：代表初始荷載，代表應變力，f代表動態變化力。

此時路面結構試件存在動態破壞應變率F，如公式（2）所示。

式中：代表平均荷載。

此時可以根據GBJ10-89標準，計算不同試件的初始強度B，如公式（3）所示，再得到試件破壞后的平均強度b，如公式（4）所示。

式中：代表側向應力，代表水平應力，代表應變速率。

此時根據上述計算的數值可以設置不同的環向約束，隨著荷載的增加會發生纖維斷裂，斷裂示意圖如圖1所示。

圖1 纖維斷裂示意圖

由圖1可知，隨著荷載的增加，纖維斷裂的程度也在不斷加大，為了保證力學性能分析的有效性，需要對選取的FRP混凝土構件進行加固處理。第一階段斷裂原因主要是混凝土內部受負荷形變，導致纖維布被拉斷，產生脆性破壞，導致纖維裂縫。第二階段～第四階段的斷裂主要由于混凝土內部FRP纖維嚴重斷裂，產生延性破壞，導致試件裂縫。第五、第六階段構件的核心混凝土斷裂，導致大面積纖維裂縫。根據試件的斷裂特性，可以進一步使用對比法分析混凝土試件的核心承載力，將試件分為FRP約束及HFRP約束兩組。為了避免試驗偏差，兩組試件的制作方法一致，為了判斷力學性能關系，首先分析FRP混凝土抗壓承載力峰值，如表4所示。

由表4可知，此時約束試件的承載力在不同程度上增加了，增加的程度隨著試件編號呈不規律變化，此時將HFRP與FRP進行對比，得到的抗壓承載力如表5所示。

將表5的承載力結果與表4進行對比可知，和沒有進行約束的混凝土試件相比，約束后試件的應變峰值均得到了不同程度的提高，且提高的程度與FRP加固結構相關，聚乙烯纖維布對承載峰值的提高程度遠高于其他幾種纖維布。C1PE1試件屬于臨界試件，即該試件的峰值介于約束與非約束之間，與其實際變形性能相關，該試驗使用INSTRON力學性能伺服仿真系統進行力學加載，設置一個敏感性測量試驗機，能緩慢地控制試件的狀態，使試件發生不同程度的形變，此時可以繪制應力形變曲線，如圖2所示。

表4 FRP混凝土抗壓承載力峰值

表5 約束混凝土抗壓承載力

圖2 應力形變曲線

由圖2可知，此時試件A2的軸向壓力峰值最高，證明A2的承載力最高，但其在達到極限承載力后迅速斷裂，導致其承載力迅速下降。而試件P0的初始承載力最低，但其極限承載力較高，不會出現嚴重的斷裂，因此其承受的軸向壓應力較穩定。試件C2則與A2相似，達到極限承載力后迅速斷裂，導致其承受的軸向壓應力下降。但與A2不同的是，C2試件達到極限承載力的耗時較長，變形性能高于A2試件。這也證明單一CFPR/AFPA對混凝土路面結構進行約束時，存在良好的增強效果，但增韌效果較差，容易斷裂，添加了FRP后混凝土的韌性明顯提高。接下來隨機抽取幾個試件進行第二階段試驗，設置應變上升段、強化段，此時得到的應力-應變曲線如圖3所示。

由圖3可知，試件A1B1最快到達極限承載，但由于添加了FRP，其韌性得到大幅度增強，達到極限承載力后也未發生斷裂，相反其軸向壓力高于達到極限承載前的壓力。P0試件則在到達極限承載時出現了輕微斷裂，影響其承載的軸向壓力。C1G1試件的極限承載較低，但未發生斷裂變形，到達極限承載力后軸向壓力也趨于穩定。B2試件與C1B1試件相同，其承載力較低，也出現了不同程度的斷裂，因此這兩種試件的力學性能相對較差。

圖3 應力-應變曲線

結合上述不同階段的應力形變曲線可知，在加載初期，HFRP對混凝土的約束作用力相對較低，隨著混凝土側向變形力的增加，其約束作用也越來越明顯。在達到極限荷載值后會出現不同程度的破壞，此時的承載力下降較快，部分試件存在嚴重變形，這也進一步證明了FRP層數與混凝土試件的力學關系。該文使用Δ代表FRP的增韌約束效果，計算式如公式（5）所示。

式中：?代表FRP混凝土試件約束峰值應變，?代表未約束混凝土試件的峰值應變。此時可以使用該增韌約束效果進一步判斷FRP層數與配筋混凝土路面結構的抗壓強度、極限應變、初始剛度等力學特征之間的關系。

3 性能試驗分析結果

根據FRP約束應力原理及上述試驗過程可以進行應變力假定，對選取的FRP配筋混凝土結構層進行分組，此時得到的約束應力應變關系如圖4所示。由圖4可知，（）代表極限應力，此時該應力應變曲線第一段與第二段存在相似斜率。因此，此時的抗壓強度和極限形變存在一定的線性關系。結合上述模型可以得出此時不同層FRP混凝土的抗壓強度、極限應變和初始剛度，性能分析結果如表6所示。由表6可知，隨著FRP配筋混凝土層數的增加，其抗壓強度、極限應變、初始剛度均在不斷改變，其抗壓強度極限形變呈正向增長，初始剛度則反向增長，這也證明FRP配筋混凝土路面結構符合應力-應變力學性能關系。

表6 性能分析結果

圖4 約束應力應變關系

4 結語

綜上所述，混凝土結構因其較低的成本及良好的性能被廣泛地應用在路面施工中，但由于其有容易開裂、韌性較低等缺點，需要使用FRP進行加固。但FRP配筋混凝土加固情況與其力學性能差異有關，因此需要確定其應力關系。該文對FRP配筋混凝土路面結構進行了力學性能分析，分析結果表明，隨著FRP配筋混凝土層數的增加，其各項力學指標均在不斷改變，證明FRP配筋混凝土結構符合應力-應變力學性能關系。