房 棟，尤培波，周明星，馬博涵

(1.鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450002;2.河南城建學(xué)院 土木與交通工程學(xué)院，河南 平頂山 467036;3.河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院 工商管理學(xué)院，河南 鄭州450044)

混凝土結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代工程建設(shè)最重要的結(jié)構(gòu)形式，在建筑工程、水利工程、交通工程等結(jié)構(gòu)中得到大量應(yīng)用。但混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋在海洋、化冰鹽、工業(yè)廢水等環(huán)境作用下，易產(chǎn)生銹蝕，引起結(jié)構(gòu)耐久性問(wèn)題。大量工程實(shí)踐表明，耐久性不足是很多工程結(jié)構(gòu)破壞的主要原因，為此進(jìn)行的維護(hù)加固甚至重建，消耗了巨大的經(jīng)濟(jì)與環(huán)境成本[1-2]。

纖維增強(qiáng)聚合物(FRP)筋由連續(xù)的增強(qiáng)纖維和聚合物基體組成，具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、耐疲勞等優(yōu)點(diǎn)，將其用于惡劣環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)，是提高耐久性的有效方法[3-5]。其中，玻璃纖維增強(qiáng)聚合物(GFRP)筋成本較低，得到了較多研究與工程應(yīng)用。但與鋼筋相比，GFRP筋的彈性模量低，與混凝土的粘結(jié)性能較差，導(dǎo)致其混凝土構(gòu)件的抗裂能力偏低，開(kāi)裂后構(gòu)件的剛度低、撓度大。因此，GFRP筋混凝土構(gòu)件的破壞往往受正常使用極限狀態(tài)控制，GFRP筋的強(qiáng)度難以充分利用[6-7]。針對(duì)上述問(wèn)題，將鋼絞線替代部分玻璃纖維，形成鋼絞線-玻璃纖維增強(qiáng)聚合物(SGFRP)筋，提高彈性模量。通過(guò)拉伸性能試驗(yàn)，分析了鋼絞線對(duì)SGFRP筋抗拉強(qiáng)度和彈性模量的影響。由于SGFRP筋彈性模量等力學(xué)性能的變化，其與混凝土的粘結(jié)性能也同普通GFRP筋有所不同。本文通過(guò)36個(gè)粘結(jié)拉拔試件，研究了直徑、鋼絞線體積率和混凝土的強(qiáng)度等因素對(duì)粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系的影響，提出了SGFRP筋與混凝土的粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系及參數(shù)取值。

1 試驗(yàn)概況

1.1 SGFRP筋的制備

以鋼絞線體積率、直徑和肋間距為試驗(yàn)參數(shù)，制備了8 mm、12 mm、16 mm 3種直徑共12種GFRP筋和SGFRP筋。其中，基體采用雙酚A型乙烯基樹(shù)脂，抗拉強(qiáng)度和彈性模量分別為80 MPa和3 GPa；玻璃纖維束采用E-無(wú)堿玻璃纖維，極限拉應(yīng)變?yōu)?.023、抗拉強(qiáng)度和彈性模量分別為2 250 MPa和70 GPa；鋼絞線采用實(shí)測(cè)截面積為2.26 mm2、極限拉應(yīng)變?yōu)?.009、抗拉強(qiáng)度和彈性模量分別為1 720 MPa和196 GPa的鍍鋅鋼絞線。將玻璃纖維束和鋼絞線分別置于不同的排架，玻璃纖維束經(jīng)乙烯基樹(shù)脂的浸潤(rùn)后，與鋼絞線共同進(jìn)入成型模具，其排列按照玻璃纖維束在外、鋼絞線在內(nèi)的方式，生產(chǎn)過(guò)程見(jiàn)圖1。為提高與混凝土的粘結(jié)性能，纖維樹(shù)脂混合物出模后，采用纏繞工藝在表面形成凹肋(控制肋深1.2 mm)，然后進(jìn)入加熱通道固化得到SGFRP筋(形式見(jiàn)圖2)成品。

1-鋼絞線；2-玻璃纖維束；3-浸膠槽；4-穿紗板；5-成型模具；6-繞線軸；7-加熱通道

1.2 試件設(shè)計(jì)及加載

首先，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)以確定各類(lèi)筋材的拉伸性能，參考《結(jié)構(gòu)工程用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料筋》(GB/T 26743-2011)[8]的要求，每組試驗(yàn)共5個(gè)試件，自由拉伸部分長(zhǎng)度為40倍的筋材直徑d，試驗(yàn)機(jī)加持段采用長(zhǎng)度300 mm的粘結(jié)式錨具，試件形式見(jiàn)圖3。試驗(yàn)加載采用1 000 kN電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，加載速度為0.2 kN/s，并采集荷載計(jì)算其抗拉強(qiáng)度；采用試驗(yàn)機(jī)配置的小變形引伸計(jì)測(cè)量拉伸變形，當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載的75%左右取下引伸計(jì)。彈性模量以20%～60%的峰值應(yīng)力與應(yīng)變比確定，試件設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

圖2 SGFRP筋的形式

圖3 直接拉拔試件的形式

表1 拉伸試件設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果

與混凝土的粘結(jié)試驗(yàn)采用直接拉拔試件(錨固混凝土尺寸為150 mm×150 mm×150 mm)，以筋材的直徑、鋼絞線體積率和混凝土強(qiáng)度為參數(shù)，分別制作了5組GFRP筋和6組SGFRP筋試件，并以1組直徑為16 mm的HRB500鋼筋試件作為對(duì)比，每組3個(gè)試件。參考鋼筋與混凝土的粘結(jié)試驗(yàn)，粘結(jié)試件的錨固長(zhǎng)度取5倍的筋材直徑d。試件的GFRP筋在加載端設(shè)置脫粘段，采用PVC管與混凝土隔離，在自由端預(yù)留50 mm用于夾持位移計(jì)，加載端采用長(zhǎng)度250 mm的粘結(jié)式錨具(見(jiàn)圖3)。每批試件在澆筑后，均預(yù)留2組150 mm立方體混凝土試塊與粘結(jié)試件同條件養(yǎng)護(hù)，測(cè)試混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu和劈裂抗拉強(qiáng)度f(wàn)ts(采用該強(qiáng)度值代表混凝土抗拉強(qiáng)度f(wàn)t)。試件的加載速度為0.2 mm/min，利用位移傳感器分別采集加載端和自由端的相對(duì)滑移，試件設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 抗拉性能

通過(guò)拉伸試驗(yàn)，得到各組GFRP筋的平均抗拉強(qiáng)度和彈性模量，見(jiàn)表1。直徑為16 mm的GFRP筋的抗拉強(qiáng)度和彈性模量隨著肋間距的增大而減小，肋間距為18 mm時(shí)稍有減小，肋間距為9 mm時(shí)降低明顯。綜合考慮拉伸與粘結(jié)性能，GFRP筋的最優(yōu)肋間距為直徑的1～1.5倍，與文獻(xiàn)[9]的結(jié)論相同。對(duì)于不同直徑的試件，G12-0-18的抗拉強(qiáng)度和彈性模量均大于G16-0-18，這是因?yàn)榇笾睆紾FRP筋的內(nèi)部隨機(jī)缺陷更多、剪切滯后現(xiàn)象更加嚴(yán)重，導(dǎo)致GFRP筋的抗拉性能隨著直徑的增大有所降低。由于所有GFRP筋的肋深一致，G8-0-9雖然直徑小，但截面受凹肋削弱的面積比例較大(約為50%，G12-0-18和G16-0-18分別約為35%和28%)，其抗拉強(qiáng)度和彈性模量均較小。

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，以18 mm的肋間距制備SGFRP筋。由于鋼絞線和玻璃纖維的極限拉應(yīng)變差別較大，SGFRP筋的拉伸破壞分為兩個(gè)階段。SGFRP筋的拉應(yīng)變?cè)诩虞d過(guò)程中不斷增大，首先，拉應(yīng)變達(dá)到0.009時(shí)，鋼絞線達(dá)到其極限拉應(yīng)變并斷裂，該階段鋼絞線與GFRP共同受力；然后，荷載由GFRP單獨(dú)承擔(dān)，當(dāng)荷載達(dá)到GFRP的承載力時(shí)，SGFRP筋完全斷裂。由于鋼絞線的彈性模量顯著高于GFRP，試件S16-14N-18、S16-20N-18和S16-27N-18的彈性模量較試件G16-0-18分別提高了21.8%、29.7%和43.8%；試件S12-16N-18、S12-24N-18和S12-32N-18的彈性模量較試件G12-0-18分別提高了24.0%、35.4%和50.2%。為便于連續(xù)生產(chǎn)，上述試件在拉擠成型時(shí)鋼絞線未在樹(shù)脂中浸潤(rùn)，拉伸中鋼絞線逐根斷裂，發(fā)出“砰砰”聲，最后試件發(fā)生爆裂；為改善鋼絞線的協(xié)同受力，試件S12-16Y-18的鋼絞線生產(chǎn)時(shí)在樹(shù)脂中浸潤(rùn)，彈性模量較S12-16N-18提高了7.95%，破壞時(shí)所有鋼絞線在同一位置同時(shí)斷裂，見(jiàn)圖4。結(jié)果表明，鋼絞線的加入可顯著提高GFRP筋的彈性模量，隨著鋼絞線體積率的增大，GFRP筋的彈性模量近似線性增大，但抗拉強(qiáng)度的變化并不明顯；鋼絞線浸膠可有效提高鋼絞線和GFRP的協(xié)同變形能力，在一定程度上提高彈性模量。

(a)鋼絞線未浸膠 (b)鋼絞線浸膠

2.2 粘結(jié)滑移關(guān)系

根據(jù)試驗(yàn)中荷載傳感器采集的荷載、粘結(jié)筋材與混凝土的接觸面積，試件的粘結(jié)應(yīng)力可按照下式計(jì)算[10]：

τ=P/(πdl)

(1)

式中：P為荷載值；d為粘結(jié)筋材的直徑；l為筋材與混凝土的接觸長(zhǎng)度，即粘結(jié)長(zhǎng)度。

采用式(1)計(jì)算得到粘結(jié)應(yīng)力，結(jié)合加載端和自由端的滑移，可得到各組試件的粘結(jié)-滑移曲線。

各類(lèi)FRP筋、鋼筋與混凝土的粘結(jié)力均來(lái)自化學(xué)膠結(jié)力、機(jī)械咬合力和摩擦阻力[9-10]。埋置在混凝土中的筋材開(kāi)始受拉時(shí)，材料的化學(xué)膠結(jié)效應(yīng)起主要作用；隨著荷載的增大，筋材與混凝土脫粘并產(chǎn)生相對(duì)滑移，化學(xué)膠結(jié)作用從加載端到自由端逐漸消失，混凝土與肋擠壓形成的機(jī)械咬合力提供了較大的粘結(jié)力，也在周?chē)炷林行纬闪谁h(huán)向拉應(yīng)力。荷載進(jìn)一步增大后，環(huán)向拉應(yīng)力使混凝土開(kāi)裂并逐漸向保護(hù)層表面擴(kuò)展，當(dāng)保護(hù)層較小或肋強(qiáng)度較高時(shí)，裂縫完全穿透保護(hù)層發(fā)生劈裂破壞；當(dāng)保護(hù)層較大時(shí)，粘結(jié)界面處的肋或混凝土被剪壞后進(jìn)入拔出階段，摩擦阻力起主要作用，直至筋材被拔出。由上述機(jī)理分析可知，SGFRP筋的變形(受鋼絞線體積率影響)、保護(hù)層厚度和混凝土強(qiáng)度對(duì)破壞形態(tài)和粘結(jié)滑移關(guān)系均有顯著影響。試驗(yàn)中，直徑8 mm、12 mm和16 mm粘結(jié)試件的相對(duì)保護(hù)層厚度(保護(hù)層厚度c與直徑d的比值)逐漸降低，分別為8.8、5.7和4.2，其破壞形式由拔出破壞向劈裂破壞轉(zhuǎn)化。

2.2.1 混凝土強(qiáng)度的影響

混凝土強(qiáng)度對(duì)粘結(jié)滑移曲線的影響見(jiàn)圖5。

圖5 混凝土強(qiáng)度對(duì)粘結(jié)滑移曲線的影響

由圖5可知：混凝土強(qiáng)度對(duì)峰值應(yīng)力和粘結(jié)滑移曲線的形式均有顯著影響，但進(jìn)入殘余段后，各曲線的形式類(lèi)似?；炷翉?qiáng)度為C20的試件12S0C20，其峰值應(yīng)力較低，粘結(jié)滑移曲線平緩；隨著混凝土強(qiáng)度增大，試件12S0C40和12S0C60的粘結(jié)滑移曲線在峰值前，粘結(jié)應(yīng)力峰值和自由端初始滑移對(duì)應(yīng)的粘結(jié)應(yīng)力均有顯著提高，但峰值后的粘結(jié)應(yīng)力下降快，破壞脆性大，表明增大混凝土強(qiáng)度可顯著提高機(jī)械咬合力及粘結(jié)強(qiáng)度；但混凝土強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到C60時(shí)，試件12S0C60粘結(jié)應(yīng)力峰值較12S0C40的增幅有所降低。由于FRP筋肋的強(qiáng)度有限，在拔出破壞時(shí)，高強(qiáng)混凝土對(duì)SGFRP筋的咬合力較大，肋在拔出時(shí)受到一定程度的剪切破壞。

2.2.2 鋼絞線體積率的影響

當(dāng)FRP筋的直徑為12 mm時(shí)，試件以拔出破壞為主，鋼絞線體積率對(duì)粘結(jié)滑移曲線的影響見(jiàn)圖6(a)。在曲線達(dá)到峰值應(yīng)力后，形成了較平緩的下降段和穩(wěn)定的殘余段；進(jìn)入殘余段后，肋與混凝土的咬合作用已被破壞，摩阻力起主要作用，由于各組GFRP筋的表面類(lèi)似，殘余粘結(jié)應(yīng)力差別不大。但SGFRP筋彈性模量大，相同的粘結(jié)應(yīng)力作用下，產(chǎn)生的拉應(yīng)變和徑向變形較小，受到機(jī)械咬合力較大，粘結(jié)應(yīng)力更高。當(dāng)FRP筋的直徑為16 mm時(shí)，試件發(fā)生混凝土劈裂，鋼絞線體積率對(duì)粘結(jié)滑移曲線的影響見(jiàn)圖6(b)。滑移開(kāi)始時(shí)，GFRP筋的彈性模量與混凝土接近，其肋較軟，易與混凝土共同變形；鋼筋彈性模量高，肋的硬度大，其附近的水泥砂漿很快被壓壞。隨著滑移的增大，肋開(kāi)始與骨料接觸擠壓，GFRP筋肋發(fā)生變形磨損，但鋼筋的肋仍可較好地與混凝土咬合，因此，鋼筋的粘結(jié)滑移曲線明顯較高。

(a)直徑12 mm，拔出破壞

(b)直徑16 mm，劈裂破壞

2.3 粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系

由圖5和圖6可知，所有拔出破壞試件的粘結(jié)滑移曲線均可分為線性上升、非線性上升、破壞下降和殘余4個(gè)階段，但劈裂破壞試件僅有前兩個(gè)階段。加載端在受拉開(kāi)始即產(chǎn)生滑移，進(jìn)入線性上升段，自由端在粘結(jié)應(yīng)力達(dá)到一定值，化學(xué)膠結(jié)作用消失后進(jìn)入短暫的線性上升段，該階段混凝土和肋產(chǎn)生擠壓變形但尚未形成裂縫；進(jìn)入非線性上升段后，混凝土界面形成裂縫并快速擴(kuò)展增大，穿透保護(hù)層后發(fā)生劈裂破壞，未穿透保護(hù)層的試件則達(dá)到應(yīng)力峰值；進(jìn)入破壞下降段后，肋受到剪切破壞、肋前混凝土被壓碎，粘結(jié)應(yīng)力快速降低；在殘余段，已破壞的混凝土和肋形成了摩擦阻力，使筋材緩慢拔出。

Eligehausen等提出了適用于變形鋼筋與混凝土的粘結(jié)滑移關(guān)系的BPE模型，但試驗(yàn)FRP筋與混凝土的粘結(jié)滑移關(guān)系曲線在粘結(jié)應(yīng)力到達(dá)峰值點(diǎn)后，曲線無(wú)類(lèi)似鋼筋的水平段，該模型和部分試驗(yàn)結(jié)果偏差較大。Cosenza等[11]建議不考慮粘結(jié)滑移曲線的水平段，將改進(jìn)的BPE模型用于描述FRP筋與混凝土粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系，表達(dá)式為：

上升段：τ/τ1=(s/s1)a1(s≤s1)

(2a)

軟化段：τ/τ1=1-p1(s/s1-1) (s1

(2b)

殘余應(yīng)力段：τ=τ3(s>s3)

(2c)

式中：τ1和s1分別為峰值應(yīng)力和對(duì)應(yīng)的滑移；τ3和s3分別為殘余粘結(jié)應(yīng)力和殘余段起點(diǎn)對(duì)應(yīng)的滑移；α1和p1為與材料有關(guān)的參數(shù)，可分別通過(guò)線性與非線性上升階段、下降破壞階段的模型和試驗(yàn)曲線線下面積相等得到。

高丹盈等[12]提出了FRP筋與混凝土粘結(jié)滑移的連續(xù)曲線模型。該模型的初始點(diǎn)、峰值點(diǎn)和殘余段連接點(diǎn)均符合試驗(yàn)結(jié)果的特點(diǎn)，且物理意義明確，粘結(jié)滑移本構(gòu)模型的表達(dá)式為：

(3a)

(3b)

根據(jù)自由端粘結(jié)滑移曲線，得到模型參數(shù)τ1、s1、τ3和s3，進(jìn)一步計(jì)算可得改進(jìn)BPE模型參數(shù)α1和p1的取值，見(jiàn)表3。

表3 改進(jìn)的BPE模型和連續(xù)曲線模型的參數(shù)

由表3可以看出，代表粘結(jié)強(qiáng)度的τ1和殘余粘結(jié)強(qiáng)度τ3均隨著鋼絞線體積率的增加略有增大，而代表峰值滑移和殘余起點(diǎn)的滑移量的參數(shù)s1和s3均比較接近。在改進(jìn)BPE模型中，對(duì)于直徑為12 mm的所有試件，由于試驗(yàn)筋材的肋間距和肋深保持一致，上升段參數(shù)α1和破壞下降段參數(shù)p1無(wú)明顯變化，其平均值分別為0.24和0.26；對(duì)于直徑為8 mm的試件，由于相對(duì)肋深(肋深與直徑的比值)較大，破壞時(shí)肋和肋前混凝土的損傷嚴(yán)重，導(dǎo)致破壞下降階段參數(shù)p1較大，破壞偏脆性。當(dāng)試件為劈裂破壞時(shí)，破壞接近完全脆性，此時(shí)破壞下降階段參數(shù)p1為無(wú)窮大，即峰值后的粘結(jié)應(yīng)力為0。

3 結(jié)論

(1)在一定范圍內(nèi)增大肋間距，能夠提高GFRP筋的抗拉性能，但肋間距較大時(shí)效果不明顯?？紤]到GFRP筋的粘結(jié)性能，肋間距為1～1.5倍直徑為宜；SGFRP筋彈性模量隨著鋼絞線體積率的增大而顯著提高，在生產(chǎn)中將鋼絞線浸膠能夠進(jìn)一步提高SGFRP筋的彈性模量。

(2)埋置在混凝土中的SGFRP筋受拉時(shí)，混凝土與肋的機(jī)械咬合力提供粘結(jié)力，也在混凝土中形成了環(huán)向拉應(yīng)力，使混凝土開(kāi)裂并向保護(hù)層表面擴(kuò)展。當(dāng)保護(hù)層厚度較小時(shí)，裂縫完全穿透保護(hù)層發(fā)生劈裂破壞；當(dāng)保護(hù)層厚度較大時(shí)，粘結(jié)界面處的肋或混凝土被剪壞，SGFRP筋被拔出。在拔出破壞中，增大混凝土強(qiáng)度可提高粘結(jié)應(yīng)力，但增大至一定程度后，SGFRP筋肋的強(qiáng)度成為影響粘結(jié)性能的主要因素。

(3)SGFRP筋與混凝土的粘結(jié)滑移關(guān)系和GFRP筋類(lèi)似，曲線由線性上升、非線性上升、破壞下降和殘余階段組成。與GFRP筋相比，SGFRP筋彈性模量大，相同的粘結(jié)應(yīng)力作用下，產(chǎn)生的拉應(yīng)變和徑向變形較小，受到的機(jī)械咬合力較大，粘結(jié)應(yīng)力更高。隨著鋼絞線體積率和混凝土強(qiáng)度增大，粘結(jié)滑移曲線逐漸增高。

(4)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，改進(jìn)BPE模型和連續(xù)曲線模型均可描述SGFRP筋與混凝土的粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系，并計(jì)算了本構(gòu)關(guān)系的模型參數(shù)值。當(dāng)SGFRP筋的肋深和肋間距一定時(shí)，上升段參數(shù)α1和破壞下降段參數(shù)p1無(wú)明顯變化，建議肋深和肋間距分別為0.1d和1.5d時(shí)，參數(shù)α1和參數(shù)p1分別取0.24和0.26。