趙軍，吳浩，孫宏賢，張飛

（1.鄭州大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院，河南鄭州 450001；2.機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南鄭州 450007；3.云南云嶺高速公路交通科技有限公司，云南昆明 650000）

GFRP筋混凝土板正截面疲勞性能試驗(yàn)研究

趙軍1，吳浩2，孫宏賢3，張飛1

（1.鄭州大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院，河南鄭州 450001；2.機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南鄭州 450007；3.云南云嶺高速公路交通科技有限公司，云南昆明 650000）

通過(guò)玻璃纖維聚合物（GFRP）筋混凝土板的疲勞試驗(yàn)，分析了疲勞循環(huán)次數(shù)對(duì)GFRP筋混凝土板剩余承載力、跨中撓度、GFRP筋應(yīng)變、混凝土應(yīng)變和裂縫的開(kāi)展等的影響．試驗(yàn)結(jié)果表明，在疲勞荷載作用下，隨著疲勞循環(huán)次數(shù)的增加，疲勞上限荷載對(duì)應(yīng)的試件的跨中撓度不斷增大，GFRP筋應(yīng)變和受壓區(qū)混凝土應(yīng)變也大幅度增加，裂縫寬度顯著變大．200萬(wàn)次疲勞循環(huán)后，試件的剩余承載力約為靜力荷載作用下試件承載力的67%．

板；GFRP筋；撓度；應(yīng)變；疲勞循環(huán)次數(shù)；剩余承載力

0 引言

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期暴露在侵蝕性環(huán)境中，混凝土的PH值以每年10%的速度減小[1]．同時(shí)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)大都處于帶縫工作狀態(tài)，致使鋼筋很容易發(fā)生銹蝕．隨著使用年限的不斷增加，受侵蝕嚴(yán)重的外層混凝土保護(hù)層脫落導(dǎo)致內(nèi)部鋼筋外露，鋼筋的銹蝕率會(huì)越來(lái)越大，當(dāng)銹蝕到一定程度時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響混凝土與鋼筋的粘結(jié)，兩者的整體工作性能削弱，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的承載力和正常使用性能，使結(jié)構(gòu)的使用壽命大幅度降低[]．

為了解決混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕的問(wèn)題，工程領(lǐng)域和很多科研機(jī)構(gòu)致力于該問(wèn)題的解決方法，如陰極保護(hù)法、采用聚合物混凝土、鍍鋅鋼筋等，然而在不同的環(huán)境條件下，這些方法并未總能起到很好的效果．如何從根本上解決混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的銹蝕難題，降低維修的巨額費(fèi)用，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)壽命，國(guó)內(nèi)外許多專(zhuān)家學(xué)者不斷嘗試新型材料和新型結(jié)構(gòu)體系．經(jīng)過(guò)多年的研究與分析，發(fā)現(xiàn)用纖維增強(qiáng)聚合物（fiberreinforcedpolymer,簡(jiǎn)稱FRP）筋來(lái)代替鋼筋是解決銹蝕問(wèn)題的最佳方法之一[4]．

FRP筋是以連續(xù)纖維為增強(qiáng)相，聚合物樹(shù)脂為基體相，按照一定的比例混合同時(shí)添加一些輔助材料（如促進(jìn)劑等），通過(guò)復(fù)合工藝組合而成的一種新型復(fù)合材料．與普通筋材相比，F(xiàn)RP筋具有輕質(zhì)、抗拉強(qiáng)度高、抗腐蝕性能好、電磁絕緣性能好、熱膨脹系數(shù)與混凝土相近等優(yōu)點(diǎn)，作為鋼筋的一種替代材料，正越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于道路、橋梁、海洋、近海以及水下混凝土結(jié)構(gòu)中[5]．

當(dāng)采用玻璃纖維作為增強(qiáng)相時(shí)，可以得到玻璃纖維增強(qiáng)聚合物（GFRP）筋．由于其價(jià)格比較低廉，國(guó)內(nèi)外對(duì)GFRP筋的研究和應(yīng)用成果比較多，但是關(guān)于GFRP筋混凝土構(gòu)件的疲勞性能方面的研究較少．為了推動(dòng)GFRP筋在承受動(dòng)荷載作用下混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，本文進(jìn)行了GFRP筋混凝土板在疲勞荷載作用下的力學(xué)性能試驗(yàn)，研究了GFRP筋混凝土板在疲勞荷載作用下?lián)隙?、混凝土?yīng)變、GFRP筋應(yīng)變和裂縫等隨著疲勞循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律．

圖1 試件的尺寸及配筋圖Fig.1Dimension and reinforcement chart of specimens

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

試件截面尺寸長(zhǎng)×寬×高為1 600 mm× 450 mm×100 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35，板底縱向受力鋼筋為5根直徑為12 mm的GFRP筋，橫向分布筋為10根直徑為10 mm的GFRP筋．試件的外觀尺寸與配筋及相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)如圖1所示．

1.2 測(cè)試內(nèi)容

試驗(yàn)中主要測(cè)試試件的正截面疲勞強(qiáng)度、跨中截面處的GFRP筋應(yīng)變、跨中截面處的板底和板頂?shù)幕炷翍?yīng)變和跨中撓度，并記錄了試件板底裂縫的開(kāi)展和裂縫寬度．

1.3 材料性能

試驗(yàn)所用的筋材為GFRP筋，縱向受拉筋采用5根GFRP筋，直徑12 mm，長(zhǎng)度為1 570 mm；分布鋼筋采用10根GFRP筋，直徑為10mm，長(zhǎng)度為420mm．直徑12 mm的GFRP筋抗拉強(qiáng)度為614.5 MPa，彈性模量為48.5GPa；直徑10mm的GFRP筋抗拉強(qiáng)度為481.2MPa，彈性模量為42.5GPa．混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35，實(shí)測(cè)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度平均值fcu=46.8 MPa，軸心抗壓強(qiáng)度平均值fc=39.6 MPa，彈性模量Ec=31 600 MPa．

1.4 試驗(yàn)裝置和加載方案

采用跨中單點(diǎn)加載方式，疲勞荷載最大值為15 kN，最小值為9kN．根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[6]，疲勞試驗(yàn)進(jìn)行之前先進(jìn)行預(yù)加載，施加荷載至疲勞試驗(yàn)上限荷載值的20%，前后進(jìn)行兩次加卸載，以確保試驗(yàn)裝置各部分連接良好．當(dāng)荷載循環(huán)至1萬(wàn)、5萬(wàn)、10萬(wàn)、20萬(wàn)、50萬(wàn)、100萬(wàn)、200萬(wàn)次時(shí)，停機(jī)進(jìn)行一次加載至疲勞上限的靜載試驗(yàn)，量測(cè)試件跨中撓度、混凝土和GFRP筋的應(yīng)變及裂縫發(fā)展情況．

本試驗(yàn)疲勞荷載循環(huán)次數(shù)以200萬(wàn)次為無(wú)窮大,當(dāng)荷載循環(huán)200萬(wàn)次內(nèi)試件發(fā)生疲勞破壞特征時(shí)，停止試驗(yàn)記錄荷載循環(huán)次數(shù)、破壞特征等；如若200萬(wàn)次內(nèi)試件并沒(méi)有發(fā)生疲勞破壞，則進(jìn)行靜力分級(jí)加載直至破壞．

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)試驗(yàn)中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和裂縫記錄，下面分別對(duì)試件在疲勞荷載作用下的剩余承載力、跨中撓度、GFRP筋應(yīng)變、受壓區(qū)混凝土應(yīng)變和裂縫進(jìn)行分析．

2.1 剩余承載力

當(dāng)疲勞循環(huán)次數(shù)達(dá)到200萬(wàn)次后，試件沒(méi)有發(fā)生疲勞破壞，隨后進(jìn)行靜力加載至破壞，試件靜載破壞試驗(yàn)得到的荷載-跨中撓度曲線和未經(jīng)歷疲勞荷載試件的靜載試驗(yàn)荷載-撓度曲線如圖2所示．

由圖2可以看出，試件在疲勞荷載上限15kN作用下，經(jīng)過(guò)200萬(wàn)次循環(huán)次數(shù)后，試件的剩余承載力和極限位移約為未經(jīng)歷疲勞荷載試件靜力承載力的67%和75%．說(shuō)明經(jīng)過(guò)疲勞荷載循環(huán)后，試件的承載能力和變形能力都有所下降．本文研究的GFRP筋混凝土板，在疲勞下限9kN、疲勞上限15kN作用下，經(jīng)過(guò)200萬(wàn)次疲勞循環(huán)次數(shù)后未發(fā)生疲勞破壞，仍滿足使用要求．

2.2 跨中撓度

試件在各疲勞循環(huán)次數(shù)結(jié)束后進(jìn)行靜載試驗(yàn)得到的荷載-跨中撓度曲線如圖3所示．由圖可以看出，試件在應(yīng)力水平15 kN作用下，從0次靜載到最終200萬(wàn)次后的靜載試驗(yàn)，荷載-撓度曲線出現(xiàn)了明顯的變化．隨著疲勞循環(huán)次數(shù)的增加，循環(huán)后靜載試驗(yàn)的荷載-撓度曲線斜率逐漸降低，曲線的拐點(diǎn)也逐漸減小，說(shuō)明由于疲勞荷載作用，板混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的損傷在逐步積累，而且宏觀裂縫也在發(fā)展，荷載循環(huán)次數(shù)越多，損傷的累積程度越大，導(dǎo)致板的抗彎剛度逐漸下降，疲勞上限荷載對(duì)應(yīng)的撓度也明顯增大．疲勞循環(huán)200萬(wàn)次后的跨中撓度達(dá)到了3.04 mm，是未經(jīng)歷疲勞荷載的板相應(yīng)撓度的1.71倍，但是可滿足板的正常使用要求．

2.3 跨中截面GFRP筋應(yīng)變

試件跨中GFRP筋應(yīng)變隨疲勞次數(shù)的變化如圖4所示，從圖中可以看出，GFRP筋應(yīng)變隨疲勞循環(huán)次數(shù)的增加基本上呈線性增長(zhǎng)．疲勞循環(huán)1萬(wàn)次時(shí)GFRP筋應(yīng)變?yōu)?17.8，20萬(wàn)次GFRP筋應(yīng)變?yōu)?26.3，50萬(wàn)次GFRP筋應(yīng)變?yōu)?59.8，100萬(wàn)次時(shí)GFRP筋應(yīng)變?yōu)?52.3，200萬(wàn)次循環(huán)結(jié)束后GFRP筋應(yīng)變達(dá)到1000，為1萬(wàn)次時(shí)筋應(yīng)變的1.62倍．靜載試件在疲勞上限荷載作用下對(duì)應(yīng)的GFRP筋應(yīng)變?yōu)?82，與各循環(huán)次數(shù)后GFRP筋的應(yīng)變比較發(fā)現(xiàn)，1萬(wàn)次后GFRP筋應(yīng)變值略低于靜載試件下對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值，之后隨著疲勞循環(huán)次數(shù)的增加，GFRP筋應(yīng)變逐步增大．與1萬(wàn)次后GFRP筋應(yīng)變相比，20萬(wàn)次、50萬(wàn)次、100萬(wàn)次、200萬(wàn)次的GFRP筋應(yīng)變分別增長(zhǎng)了17.6%、23.0%、38.0%、61.9%．

圖2 靜載和200萬(wàn)次疲勞循環(huán)后荷載-跨中撓度曲線Fig.2Load-midspan deflection curve after static load and fatigue load of 2 million cycles

圖3 各循環(huán)次數(shù)靜載試驗(yàn)曲線Fig.3Test curve at static load after each cycle

2.4 受壓區(qū)混凝土應(yīng)變

受壓區(qū)混凝土最大應(yīng)變隨疲勞循環(huán)次數(shù)的變化如圖5所示，從圖中可以看出受壓區(qū)混凝土最大應(yīng)變?cè)?0萬(wàn)次范圍內(nèi)有較小的波動(dòng)，之后隨著循環(huán)次數(shù)的增加，受壓區(qū)混凝土的應(yīng)變基本上呈線性增長(zhǎng)，受壓區(qū)混凝土最大應(yīng)變?yōu)?34.5．疲勞循環(huán)1萬(wàn)次時(shí)壓區(qū)混凝土應(yīng)變?yōu)?87.0，20萬(wàn)次時(shí)應(yīng)變?yōu)?32，50萬(wàn)次混凝土應(yīng)變?yōu)?43.0，100萬(wàn)次時(shí)應(yīng)變?yōu)?65.5，200萬(wàn)次循環(huán)結(jié)束后壓區(qū)混凝土的應(yīng)變達(dá)到334.5，為1萬(wàn)次時(shí)筋應(yīng)變的1.79倍．在試驗(yàn)中觀察發(fā)現(xiàn)，隨著循環(huán)次數(shù)的增大，板側(cè)面裂縫逐步向板頂擴(kuò)展，此時(shí)中和軸高度向上移動(dòng)，受壓邊緣混凝土應(yīng)變逐漸增大．靜載試件在疲勞上限荷載作用下對(duì)應(yīng)的壓區(qū)混凝土應(yīng)變?yōu)?92.5，與各循環(huán)次數(shù)后壓區(qū)混凝土應(yīng)變比較發(fā)現(xiàn)，1萬(wàn)次后壓區(qū)混凝土應(yīng)變值略低于靜載試件下對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值，之后隨著疲勞循環(huán)次數(shù)的增加，壓區(qū)混凝土應(yīng)變逐步增大．與1萬(wàn)次后壓區(qū)混凝土應(yīng)變值相比，20萬(wàn)次、50萬(wàn)次、100萬(wàn)次、200萬(wàn)次的壓區(qū)混凝土應(yīng)變分別增長(zhǎng)了24.1%、29.9%、42.0%、78.9%．

圖4 跨中GFRP筋應(yīng)變隨疲勞循環(huán)次數(shù)的變化Fig.4Relationship of GFRP bars strains and fatigue cycles

圖5 試件受壓區(qū)混凝土應(yīng)變隨疲勞次數(shù)的變化Fig.5Relation of concrete strains at compressive zone and fatigue cycles

2.5 裂縫的發(fā)展與開(kāi)展

在試驗(yàn)過(guò)程中，1萬(wàn)次范圍內(nèi)共出現(xiàn)了3條裂縫，之后沒(méi)有新裂縫出現(xiàn)，原有裂縫不斷延伸，裂縫寬度逐漸增大．200萬(wàn)次循環(huán)結(jié)束后，最大裂縫寬度約為0.40 mm．試件在疲勞荷載上限15 kN作用下最大裂縫寬度如表1所示．對(duì)于同樣的疲勞荷載作用下，最大裂縫寬度受荷載循環(huán)次數(shù)的影響比較顯著，且隨著循環(huán)次數(shù)的增加，最大裂縫寬度逐漸增大．200萬(wàn)次循環(huán)結(jié)束后，最大裂縫寬度是0萬(wàn)次對(duì)應(yīng)最大裂縫寬度的6.7倍．由此可見(jiàn)，疲勞荷載對(duì)裂縫的開(kāi)展也產(chǎn)生了累積損傷作用，致使在構(gòu)件承受同樣荷載的情況下，裂縫兩端的混凝土進(jìn)一步松弛，最大裂縫寬度顯著變寬．

表1 疲勞荷載作用下試件的最大裂縫寬度mmTab.1Maximum crack width of specimens after fatigue load

200萬(wàn)次疲勞試驗(yàn)結(jié)束后，試件靜載破壞試驗(yàn)得到的最大裂縫寬度如表2所示．從表中可以看出，當(dāng)荷載比較小時(shí)，最大裂縫寬度已經(jīng)達(dá)到0.24mm．之后再增加荷載，在較小的荷載增量時(shí)，最大裂縫寬度的增加非常明顯．最后由于板底裂縫迅速向加載點(diǎn)處截面受壓區(qū)發(fā)展，縱向受力筋的斷裂而使試件破壞．

表2 試件靜載破壞試驗(yàn)最大裂縫寬度mmTab.2Maximum crack widths under static load

3 結(jié)論

經(jīng)過(guò)本文關(guān)于GFRP筋混凝土板在疲勞荷載下的受力性能試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，疲勞荷載對(duì)GFRP筋混凝土板的受力性能影響比較顯著，可以得出以下主要結(jié)論：

1）對(duì)于本文研究的GFRP筋混凝土板，在200萬(wàn)次疲勞荷載作用后，沒(méi)有發(fā)生疲勞破壞，但其剩余承載力僅為經(jīng)歷疲勞荷載之前板承載力的67%；

2）疲勞荷載作用后疲勞上限荷載對(duì)應(yīng)的跨中撓度隨著疲勞循環(huán)次數(shù)的增加而增大，當(dāng)疲勞荷載循環(huán)次數(shù)達(dá)到200萬(wàn)次后，疲勞上限荷載對(duì)應(yīng)的跨中撓度比0萬(wàn)次的對(duì)應(yīng)值增加了70%；

3）在疲勞荷載作用下，隨著疲勞循環(huán)次數(shù)的增加，疲勞上限荷載對(duì)應(yīng)的GFRP筋和受壓區(qū)混凝土的應(yīng)變基本呈線性增大．與1萬(wàn)次疲勞循環(huán)相比，200萬(wàn)次循環(huán)后板在疲勞上限荷載作用下GFRP筋和受壓區(qū)混凝土的應(yīng)變分別增加了61.9%和78.9%；

4）疲勞荷載對(duì)裂縫的發(fā)生與發(fā)展影響比較明顯，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，最大裂縫寬度逐漸增大．200萬(wàn)次循環(huán)結(jié)束后，最大裂縫寬度是0萬(wàn)次對(duì)應(yīng)最大裂縫寬度的6.7倍，而且在較小的荷載下，裂縫寬度就已經(jīng)接近正常使用限值．

[1]Chaallal O，Brahim B．Fiber-reinforced plastic rebars for concrete applications[J]．Composites：Part B，1996（27B）：245-252．

[2]高丹盈，李趁趁，朱海堂．纖維增強(qiáng)塑料筋的性能與發(fā)展[J]．纖維復(fù)合材料，2002（4）：37-40．

[3]高向鈴．鋼筋混凝土粘結(jié)錨固的研究進(jìn)展[J]．結(jié)構(gòu)工程師，2001（2）：29-33．

[4]BrahimBenmokrane，EhabEl-Salakawy，AmrEl-Ragaby．DesigningandtestingofconcretebridgedecksreinforcedwithglassFRPbars[J]．Journal of bridge engineering，2006（11）：217-229．

[5]中國(guó)冶金建設(shè)協(xié)會(huì)．GB 50608-2010，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料建設(shè)工程應(yīng)用技術(shù)規(guī)程[S]．北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2011．

[6]GB/T 50152-2012，混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S]．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012．

[責(zé)任編輯 楊屹]

Experimental study on fatigue behavior of concrete slabs reinforced with glass fiber reinforced polymer(GFRP)bars

ZHAO Jun1，WU Hao2，SUN Hongxian3，ZHANG Fei1

(1.College of Mechanical and Engineering Science,Zhengzhou University,Henan Zhengzhou 450001,China;2.SIPPR Engineering Group Co Ltd,Henan Zhengzhou 450007,China;3.Yunnan Yunling expressway traffic science and technology Ltd,Yunnan Kunming 650000,China)

Based on the fatigue test of GFRP bars reinforced concrete slabs,the effects of the fatigue cycles on residual load-carrying capacity,deflection at mid-span,GFRP bar strain,compressive concrete strain and development of cracks were analyzed.Test results indicate thatunderfatigueloads,with theincreasingoffatiguecycles,the mid-spandeflection, GFRPbarstrain andcompressiveconcretestrainofthespecimencorresponding to theupperload increase,the crackwidths increaseobviously.After thefatiguecycles of2 millions,the residual load-carrying capacityis as lowas 67%that of specimen under static load.

slab;glass fiberreinforced polymer(GFRP)bars;deflection;strains;fatiguecycles;residualload-carrying capacity

TU528.572

A

1007-2373(2015)05-0115-04

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.05.024

2014-09-17

高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金（20124101110014）；河南省高?？萍紕?chuàng)新團(tuán)隊(duì)支持計(jì)劃（15IRTSTHN026）

趙軍（1971-），男（漢族），教授，博士，zhaoj@zzu.edu.cn．