GFRP開孔板連接件抗剪性能試驗研究

李耘宇 陳 婧 陳 舒 梁 倩

(武漢理工大學交通與物流工程學院1) 武漢 430061) (武漢理工大學船海與能源動力工程學院2) 武漢 430061) (中國建筑第五工程局有限公司3) 長沙 410004) (武漢電力職業技術學院4) 武漢 430070)

0 引 言

GFRP(glass fiber reinforced polymer)-混凝土組合結構具有抗腐蝕性能好和承載力高等優點[1-2],在土木工程領域得到廣泛的應用.GFRP與混凝土之間良好的復合作用是實現預期整體力學性能不可或缺的先決條件[3].GFRP開孔板連接件作為GFRP-混凝土組合結構中常用的一種抗剪連接件,其抗剪性能直接決定GFRP與混凝土之間的協同工作的能力,進而影響組合結構的力學性能.

Leonhardt等[4]提出了開孔鋼板剪力連接件(PBL剪力鍵),通過推出試驗研究了其抗剪連接性能.結果表明:PBL連接件具有受剪承載力高、剛度大,以及抗疲勞性能好等優點.此后,大量學者通過試驗研究和數值模擬的手段,對影響PBL連接件抗剪性能的各類因素進行了探究,其中包括孔徑、開孔數量、板厚、埋深、混凝土強度、貫穿鋼筋直徑等[5-8].目前,對于開孔板連接件的研究主要是針對開孔鋼板連接件展開,對FRP開孔板連接件的研究非常有限.Cho等[9]基于GFRP開孔板連接件的拔出試驗,對不同孔徑的GFRP開孔板連接件進行研究,試驗結果表明開孔板的抗剪性能與開孔面積成正比,并提出了離散彈簧本構方程.陸正[10]以開孔板孔徑為變化參數設計試件進行拔出試驗,研究了孔徑對GFRP開孔板抗剪性能的影響,提出了考慮應力集中的抗剪極限承載力計算公式,但未提出適用于GFRP開孔板的荷載-滑移模型.相較于開孔鋼板連接件,GFRP開孔板連接件剛度較低,其破壞形式也與開孔鋼板連接件差異較大.

文中通過六個GFRP開孔板試件的拔出試驗,基于GFRP開孔板的破壞模式和荷載-滑移曲線,分析了開孔直徑、開孔數量兩個參數對GFRP開孔板連接件抗剪性能的影響,最后回歸擬合出了簡化的荷載-滑移模型.

1 試驗概況

1.1 試件設計與制作

設計六個GFRP開孔板連接件試件并進行拔出試驗,試驗中變化的參數包括:GFRP開孔板的開孔直徑、開孔數量,其中P0試件未作開孔處理,作為對照組.GFRP開孔板尺寸均為100 mm×500 mm,其尺寸和截面型式見圖1.表1為試件編號及主要參數.

表1 GFRP開孔板連接件試驗參數

圖1 GFRP開孔板尺寸及截面布置(單位:mm)

以P1-30試件為例,圖2為拔出試件構造及尺寸.連接件埋深均取300 mm,以避免發生混凝土沖切破壞.澆筑模板采用傳統建筑用木模板,并事先在模板頂部設置長條形開孔,用于布置和固定GFRP開孔板,混凝土采用側立澆筑,澆筑完成置于振搗臺上充分振搗后,將試件在陰涼通風處靜置2 d后脫模,并在標準養護條件下養護28 d.為避免混凝土在加載過程中發生脆性破壞,試件中放置了相應的構造鋼筋籠.

圖2 拔出試件形狀與尺寸(單位:mm)

1.2 材料屬性

試件采用的混凝土強度等級均為C50,實測混凝土立方體抗壓強度fcu=54.6 MPa,彈性模量Ec=35.26 GPa.GFRP開孔板采用拉擠成型工藝,玻璃纖維使用巨石公司生產的E6-386T直接無捻粗紗,整體產品纖維含量80%,表面涂覆硅烷基浸潤劑.按照文獻[11]進行拉伸試驗,測得數據見表2.

表2 GFRP板材料屬性

1.3 加載及量測方案

加載方式采用位移控制,加載裝置為武漢理工大學交通學院力學實驗室的量程350 kN的電伺服液壓疲勞試驗機,以0.3 mm/min的速率加載至試件破壞為止.

為準確測量GFRP開孔板與混凝土間的相對滑移,將位移計底座布置在夾具鋼柱上以消除工裝鋼柱因抵抗試件的位移而產生的變形.在GFRP板距混凝土頂面35 mm處粘貼方形鋼條,將位移計指針抵鋼條下緣,通過測量鋼條的上升量來得到拔出試驗的滑移值.

2 試驗結果及分析

2.1 破壞模式

對于未開孔試件(P0),由于澆筑時未對開孔板表面進行潤滑處理,試件主要依靠混凝土與GFRP板之間的粘結以及摩擦作用來抵抗拔出力.在加載過程中,混凝土塊兩側出現縱向微裂縫,并隨著荷載增長縱向裂縫自上而下發展,裂縫周圍出現若干細小裂紋,GFRP板被直接拔出,破壞形態見圖3a).

對于GFRP開孔板試件,主要存在兩種破壞形態:①混凝土榫破壞 其具體表現為:隨著荷載逐漸增大,混凝土頂面與開孔板交界處出現小范圍的剝離,同時混凝土塊兩側頂部出現豎向裂縫,并不斷向試件底部發展;試驗結束后鑿開混凝土塊,可以觀察到開孔板內混凝土已與板兩側的混凝土分離(見圖3b)).②GFRP板剪切破壞 其具體表現為:在加載過程中,混凝土塊頂部至中部出現裂縫,并沿兩側迅速向下發展,破壞時形成了自上而下的貫穿裂縫;鑿開混凝土塊取出GFRP板,可以觀察到GFRP板沿開孔邊緣發生剪切破壞,見圖3c).

圖3 GFRP開孔板連接件破壞模式

對比兩種破壞形態,GFRP板剪切破壞表現出明顯的脆性特點,混凝土榫的逐步破壞增加了構件延性,通過荷載-位移曲線也可以得到此結論.

2.2 荷載-滑移曲線

圖4為不同開孔數量和直徑下的荷載-滑移曲線.由圖4a)可知:所有試件的荷載-相對滑移曲線趨勢較為相似,基本可以分為彈性階段、塑性階段、破壞階段和平臺階段四個階段.試件在加載初期處于彈性階段,荷載較小,GFRP開孔板和混凝土之間滑移也很小,孔間混凝土尚未開裂或微開裂;繼續加載,進入塑性階段,開孔板孔洞附近的混凝土開始發生剪切破壞,荷載-滑移曲線上升速率變緩,直至荷載達到峰值.隨后荷載迅速下降,GFRP開孔板與混凝土間的相對滑移快速增加,此時認為試件已經剪切破壞.繼續加載,荷載從最低點開始增長,達到一定值時停止增長,并隨著試驗的進行,位移的增加而緩慢降低,進入平臺階段;此時,試件仍能承受一定荷載.

由圖4可知:試件在彈性階段的抗剪剛度較大,進入塑性階段后,剛度逐漸減小.對于破壞形態為混凝土榫剪壞的試件,當剪力達到峰值后其荷載-滑移曲線在較大的位移范圍內緩慢下降,說明這類開孔板連接件的延性較好.

2.3 影響因素分析

2.3.1不同開孔數量

荷載-滑移曲線和極限承載力見表3.由表3可知:未開孔試件的抗剪極限承載力為67.55 kN,對比試件P0和P1-30可以發現,GFRP開孔板試件的極限承載力較未開孔試件提高了104.5%,說明開孔可以顯著提高GFRP板和混凝土之間的連接性能.在孔徑為30 mm條件下改變開孔數量,P1-30、P2-30、P3-30試件的破壞形態均為混凝土榫剪切破壞,試件的荷載-滑移曲線見圖5b).對比試件P1-30和P2-30,當開孔數量由1增加到2時,極限承載力提高了6.02%,孔洞數量從2增加到3時則提高了7.86%.對不同開孔數量連接件試件的極限承載力進行歸一化處理,其變化曲線見圖5a).由圖5a)可知:增加孔洞數量可以提高連接件的極限承載能力,但提高程度有限,每增加1個孔,極限承載力提高7%左右.

2.3.2不同開孔直徑

從試驗結果可得,開孔直徑是決定GFRP開孔板抗剪連接件破壞模式的主要因素,孔徑較小(d=30 mm)的開孔板試件均發生混凝土榫破壞,孔徑較大(d≥40 mm)的開孔板試件發生GFRP板剪切破壞.由表3可知:孔徑從30增加到40 mm,極限承載力的增長率達到43.9%,因此增大孔徑可以顯著提高開孔板的極限承載力.但孔徑從40增加到50 mm時,試件的極限承載力略微下降了4.5%.對不同開孔直徑的連接件試件極限承載力進行歸一化處理,其變化曲線見圖5b).分析原因為:孔徑較大時(試件P2-40、P2-50)表現為GFRP板剪切破壞.在此破壞模式下,隨著孔徑的繼續增加,GFRP開孔板孔邊應力集中增大,反而使得極限承載力小幅度降低.

表3 FPR開孔板試件試驗結果對比

圖5 不同開孔數量和直徑對極限承載力的影響

3 簡化荷載-滑移模型

3.1 現有開孔板連接件的荷載-滑移模型

目前,開孔板荷載-滑移模型公式的研究較少,且集中于鋼開孔板方面.對于GFRP開孔板的荷載-滑移模型研究相對更少.

式中:Ks為開孔板連接件的抗剪剛度,其表達式為

其中:n為開孔個數;nE為貫穿筋彈性模量和混凝土彈性模量比值;nd為貫穿筋直徑和孔徑比值;Ec為混凝土彈性模量;d為孔徑.

式中:a、b、c為回歸系數,其表達式為

其中:fc為混凝土抗壓強度;D、d、h和ρ分別為孔徑、穿孔鋼筋直徑、開孔板厚度和橫向配筋率.

上升段荷載-滑移模型均基于開孔板的抗剪剛度提出,對其進行分段擬合,容易出現確定擬合分界點困難和平滑過渡問題.此類模型形式較為復雜,雖然精度較高但不便于實際應用和推廣.

3.2 簡化荷載-滑移模型

采用全過程曲線擬合的方式可以改善分階段擬合時的平滑過渡問題,避免人為確定階段分界點.同時,全過程曲線擬合可以更方便地建立數學模型.

從試驗可知,GFRP開孔板試件V-S曲線非線性程度較大,擬合得到的抗剪剛度K并不能很好地反應上升段荷載與滑移之間的關系.采用數學擬合得到GFRP開孔板在上升段的荷載-滑移全曲線,即

(1)

對比3.1中所述的荷載-滑移模型,該模型具有簡單實用且擬合精度較高的特點.截取各個試件的荷載-位移曲線上的數據代入式(1)中,利用1stopt數學分析軟件,采用全局優化算法進行擬合,確定兩種破壞模式的參數a和b,計算結果見表4.

表4 理論模型參數取值

得到GFRP開孔板荷載-位移曲線理論公式為

(2)

各試件V-S曲線試驗值與通過式(2)得到的理論值對比結果見圖6,其結果吻合較好.

圖6 荷載-滑移曲線擬合對比

4 結 論

1) 開孔可以極大提高GFRP板和混凝土之間的連接性能.對于開孔個數為1的試件,其極限承載力約為未開孔試件的2.04倍,說明開孔板這種連接方式是可行且可靠的.

2) 試驗中存在兩種破壞模式,分別為混凝土榫破壞和GFRP板剪切破壞.當孔徑較小時發生混凝土榫破壞;當孔徑大于某一臨界值時發生GFRP板剪切破壞.GFRP開孔板剪切破壞下的試件極限承載力遠高于混凝土榫破壞模式下的極限承載力,前者約為后者的1.46倍.

3) 增大開孔直徑和增加開孔數量均能有效地提高GFRP開孔板連接件的極限承載力,但開孔數量對連接件極限承載力的提高程度有限,每增加1個孔,極限承載力提高7%左右.

4) 基于試驗結果,提出了GFRP開孔板連接件的V-S曲線上升段模型.該理論模型形式簡單,具有較強的實用性,與試驗結果吻合較好,可用于GFRP-混凝土組合結構非線性有限元分析.

本次試驗探索性討論了開孔直徑和開孔數量對GFRP開孔板連接件抗剪性能的影響.后續研究將在本次試驗的基礎上建立GFRP開孔板精細化數值模型,以開孔個數、開孔直徑、板厚、埋深和混凝土強度為參數,建立大量試件樣本進行有限元計算,進一步深入探討GFRP開孔板連接件各參數對抗剪性能的影響規律.