汪國賢，李明，張黎飛，李斌，胡勇

(1.珠海鶴港高速公路有限公司，廣東 珠海 519000；2.深圳海川新材料科技股份有限公司，廣東 深圳 518000；3.東莞理工學(xué)院，廣東 東莞 523808；4.江蘇海川新材料科技有限公司，江蘇 句容 212400)

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)為脆性材料，采用FRP作為箍筋或異形構(gòu)件時，折角處FRP箍筋會形成應(yīng)力集中，故FRP折角處筋材強(qiáng)度直接影響FRP筋砼構(gòu)件的工作性能。FRP筋折角加工過程中，彎折造成GFRP筋內(nèi)外纖維受力不均勻，導(dǎo)致應(yīng)力集中，由于GFRP筋不能進(jìn)行應(yīng)力重分布，導(dǎo)致強(qiáng)度降低?，F(xiàn)有做法是控制筋材應(yīng)變水平低于0.4%～0.5%或提高箍筋用量，但會引起FRP箍筋經(jīng)濟(jì)性能下降。為此，在GFRP箍筋剪切計算中將箍筋貢獻(xiàn)強(qiáng)度按照需要進(jìn)行折減，避免出現(xiàn)剪切破壞，這就造成FRP箍筋的高配筋率。因此，需明確帶折角FRP箍筋強(qiáng)度變化規(guī)律。Ehsani M.R.等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)rb/db(彎折半徑/筋材直徑)減小時，折角處筋材強(qiáng)度衰減，同時指出FRP折角應(yīng)避免rb/db<3的情況，以降低折角處應(yīng)力集中程度。EI-Sayed A.K.等研究發(fā)現(xiàn)，ACI規(guī)范中關(guān)于FRP折角強(qiáng)度的計算模型過高地估計了FRP筋折角強(qiáng)度。Morphy R.的研究表明FRP箍筋種類、彎曲半徑和砼強(qiáng)度等均對箍筋強(qiáng)度有影響，F(xiàn)RP箍筋強(qiáng)度隨彎折半徑減小而顯著降低。Currier J.等的研究表明FRP箍筋彎折強(qiáng)度衰減77%。各國學(xué)者對FRP箍筋強(qiáng)度受彎折角影響的初步規(guī)律已形成了較統(tǒng)一的意見，但現(xiàn)有研究主要針對90°折角箍筋，對不同角度FRP箍筋強(qiáng)度和破壞機(jī)理尚不明確。為研究GFRP筋折角強(qiáng)度隨彎折角度變化的規(guī)律及帶折角箍筋的破壞機(jī)理，該文設(shè)置4組GFPR筋帶折角試驗研究不同GFRP筋折角強(qiáng)度，通過分析筋材折角處破壞模式研究破壞機(jī)理，根據(jù)折角筋破壞物理開裂過程，闡述不同彎折角度時GFRP筋材的強(qiáng)度衰減規(guī)律和過程，建立帶角度GFRP筋強(qiáng)度預(yù)測模型。

1 試驗設(shè)置

設(shè)置4組試驗、21個試件，為考慮帶折角FRP筋的離散性，每組折角筋試驗設(shè)置6個試件，直筋試驗設(shè)置3個試件(見表1)。FRP帶折角筋試驗方法采用美國標(biāo)準(zhǔn)ACI 440.3R—04中對工程用FRP材料的B.5彎折箍筋試驗方法(見圖1)。直筋強(qiáng)度試驗見圖2。

圖1 B.5試驗方法

表1 試件設(shè)置

試驗采用砼保護(hù)GFRP筋折角筋，試件包括錨固端和試驗端，錨固端全部澆筑砼，試驗端在筋材縱向方向設(shè)置脫黏區(qū)域，使荷載能直接傳遞到折角位置，然后澆筑砼。不同角度GFRP筋的安裝見圖3。

圖3 GFRP筋帶折角強(qiáng)度試件

GFRP筋直筋試件中，為防止GFRP筋在試驗機(jī)夾持力作用下發(fā)生破壞，端部安裝錨固套筒，套筒與GFRP筋之間填充膨脹水泥進(jìn)行錨固。試驗采用直徑12 mm GFRP筋，彈性模量52 GPa，強(qiáng)度805.27 MPa，砼強(qiáng)度50 MPa，標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)28 d。GFRP筋折角試驗中，錨固端和試驗端中間采用液壓作動器進(jìn)行加載，加載速度1 mm/min，采用TDS-530靜態(tài)應(yīng)變采集器進(jìn)行荷載數(shù)據(jù)采集，采集頻率為1 Hz(見圖4)。

圖4 試件及試驗裝置

2 試驗結(jié)果與分析

不同折角GFRP筋的強(qiáng)度見表2。由表2可知：筋材折角對強(qiáng)度影響較大，隨著筋材彎折角增加，筋材強(qiáng)度迅速衰減，這是由于折角在受力時，內(nèi)側(cè)纖維在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生褶皺，筋材玻璃纖維不能協(xié)同受力造成強(qiáng)度衰減。彎折角為30°時，強(qiáng)度衰減40.3%，說明折角在受力過程中出現(xiàn)應(yīng)力集中，部分纖維受力高于受拉極限強(qiáng)度而提前破壞。筋材折角高于60°時，筋材強(qiáng)度衰減速率降低，這是由于筋材彎折過程中，松弛纖維占比增加放緩，增加角度對應(yīng)力集中現(xiàn)象的影響逐漸降低。GFRP筋折角角度為90°時，強(qiáng)度衰減75.5%，強(qiáng)度平均值不足200 MPa，帶折角GFRP筋強(qiáng)度衰減較大，需根據(jù)實際工程進(jìn)行合理設(shè)計，避免出現(xiàn)GFRP箍筋破壞。

表2 帶折角GFRP筋強(qiáng)度試驗結(jié)果

筋材強(qiáng)度隨折角角度的變化見圖5。由圖5可知：筋材折角由0增加至30°時，強(qiáng)度衰減速率高于更大角度，這是由GFRP筋的組成結(jié)構(gòu)決定的。GFRP筋包括玻璃纖維與基體，基體為脆性材料，抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于玻璃纖維，主要起保護(hù)、固定玻璃纖維的作用。玻璃纖維抗拉強(qiáng)度高，但抗剪性能弱，在基體內(nèi)部受力時，需要基體提供側(cè)向支撐。因此，GFRP筋產(chǎn)生折角后，折角內(nèi)側(cè)纖維發(fā)生褶皺，根據(jù)GFRP筋折角處橫截面受力平衡，彎折會造成較大范圍的玻璃纖維褶皺松弛，因而彎折角度較小時對強(qiáng)度造成較大影響。GFRP筋折角由30°增加至90°時，筋材折角強(qiáng)度近似為線性變化，說明GFRP筋角度增加至30°以上時筋材應(yīng)力集中程度呈線性增加。

圖5 筋材強(qiáng)度隨折角的變化

3 破壞機(jī)理分析

為研究GFRP筋折角部位斷裂機(jī)理，對試件斷裂處進(jìn)行分析，GFRP筋折角處破壞模式見圖6。由圖6可知：GFRP筋折角處破壞狀態(tài)均為折角內(nèi)部基體與纖維斷裂，而后折角外側(cè)纖維拉伸斷裂。GFRP筋折角內(nèi)側(cè)纖維斷裂均為齊平狀態(tài)，說明該處纖維基體并未協(xié)同受力變形，受力狀態(tài)下基體首先出現(xiàn)開裂，然后纖維應(yīng)力集中造成斷裂。折角內(nèi)部斷裂面處纖維褶皺造成斷裂面纖維受力不均，導(dǎo)致筋材折角內(nèi)部斷裂。折角內(nèi)部斷裂后，折角外側(cè)纖維受力，但基體裂縫已發(fā)展到筋材外側(cè)，纖維拉應(yīng)力在折角處突變，導(dǎo)致強(qiáng)度衰減。這一現(xiàn)象在折角為90°時最明顯，折角30°筋材的破壞形態(tài)與GFRP筋直筋破壞形態(tài)更接近。GFRP筋折角破壞時，內(nèi)側(cè)基體首先開裂，該位置處纖維的參與受拉程度較低，因而出現(xiàn)折角內(nèi)側(cè)纖維整體斷裂現(xiàn)象。根據(jù)GFRP筋折角位置實際破壞形態(tài)，折角內(nèi)側(cè)整體斷裂程度與筋材角度有關(guān)，筋材角度增加，則斷裂深度增加。帶折角筋材內(nèi)側(cè)開裂后，外側(cè)基體與纖維協(xié)同受力，最終斷裂。這一過程中，折角與纖維的有效面積與筋材強(qiáng)度相關(guān)。

圖6 折角處筋材斷裂形態(tài)

筋材斷裂面見圖7。由圖7可知：在受力狀態(tài)下，折角處內(nèi)部基體應(yīng)力集中，基體承擔(dān)的應(yīng)力比例較大，達(dá)到基體破壞強(qiáng)度時開裂，基體裂縫造成折角內(nèi)側(cè)纖維斷裂。30°折角試件基體開裂方向與縱向夾角較小，同時受到纖維約束，基體開裂深度較小。隨著角度增加，基體裂縫進(jìn)一步增大，開裂深度增大。折角內(nèi)部斷裂后，荷載主要由筋材外側(cè)剩余面積承擔(dān)。經(jīng)過現(xiàn)場測量，30°、60°、90°折角筋有效面積平均值分別為74.25、43.96、26.39 mm2，計算得折角內(nèi)側(cè)基體開裂面積平均值分別為38.85、69.14、86.71 mm2(見表3)。

圖7 GFRP筋折角筋斷裂過程示意圖

表3 折角筋有效面積試驗結(jié)果

4 折角筋強(qiáng)度預(yù)測模型

日本規(guī)范JSCE(1997)采用的FRP箍筋彎曲強(qiáng)度計算方法[見式(1)]被廣泛使用，該方法采用rb/db和筋材強(qiáng)度ffuv作為影響因素。

(1)

式中：ffb為筋材彎折段強(qiáng)度；δ為安全系數(shù)，日本采用的安全系數(shù)為1.3，美國為1.0，加拿大為1.5。

各國規(guī)范中FRP箍筋彎曲強(qiáng)度計算方法的計算結(jié)果見表4。由表4可知：各國規(guī)范均高估了筋材彎折強(qiáng)度，其中加拿大規(guī)范的計算結(jié)果與試驗結(jié)果較接近。這是由于FRP彎折部分破壞機(jī)理并不清晰，未考慮彎折角在實際破壞過程中的基體應(yīng)力集中。因此，需對計算方法進(jìn)行修正。經(jīng)過分析，選擇安全系數(shù)為1.9能較準(zhǔn)確地預(yù)測GFRP筋彎折角強(qiáng)度。

表4 各國規(guī)范中FRP箍筋彎曲強(qiáng)度計算方法的計算結(jié)果對比

圖8 筋材強(qiáng)度與筋材有效面積隨角度的變化

圖9 試驗結(jié)果與模型預(yù)測結(jié)果對比

(2)

ΔAe(θ)=0.000 1θ3-0.019 4θ2+0.852 6θ

(3)

(4)

σe(θ)=Ae(θ)σini

(5)

基于GFRP筋材折角處有效面積，分析折角處筋材破壞機(jī)理。GFRP折角筋加工過程中，首先進(jìn)行筋材浸膠成型，然后根據(jù)角度需求進(jìn)行彎折，造成筋材折角內(nèi)側(cè)纖維褶皺松弛。筋材在砼中受力時，兩方面原因造成筋材強(qiáng)度降低，一是GFRP筋折角內(nèi)側(cè)纖維褶皺松弛，內(nèi)折角受力主要由基體承擔(dān)；二是折角內(nèi)側(cè)應(yīng)力集中，受力時容易開裂。這2個原因相互促進(jìn)，造成帶折角筋材強(qiáng)度顯著降低。根據(jù)GFRP筋破壞機(jī)理建立GFRP折角筋強(qiáng)度預(yù)測模型，對比預(yù)測結(jié)果與試驗結(jié)果，該模型能準(zhǔn)確預(yù)測不同角度GFRP筋的強(qiáng)度。

5 結(jié)論

針對GFRP筋，采用靜力加載，研究不同折角GFRP筋的強(qiáng)度，分析GFRP筋折角處破壞機(jī)理，建立不同折角GFRP筋強(qiáng)度預(yù)測模型。結(jié)論如下：1)由于GFRP筋彎折角內(nèi)側(cè)應(yīng)力集中，GFRP筋彎折角度對筋材強(qiáng)度影響明顯。相比于GFRP直筋強(qiáng)度，30°、60°和90°折角筋強(qiáng)度分別降低40.3%、56.1%和75.5%。2)GFRP筋折角破壞時，內(nèi)側(cè)基體首先開裂，該位置處纖維的參與受拉程度較低，會出現(xiàn)折角內(nèi)側(cè)纖維整體斷裂現(xiàn)象，且折角內(nèi)側(cè)整體斷裂程度與筋材角度有關(guān)，筋材角度增加，則斷裂深度增加。之后外側(cè)基體與纖維協(xié)同受力，最終斷裂。3)折角筋實際受力的有效面積與筋材強(qiáng)度相關(guān)，基于筋材有效受力面積建立GFRP筋彎折強(qiáng)度預(yù)測模型，對比試驗結(jié)果，該模型能準(zhǔn)確預(yù)測不同彎折角度GFRP筋的強(qiáng)度。

文中研究針對玻璃纖維筋，后期需對不同彎折角度對玄武巖纖維和碳纖維筋的強(qiáng)度影響進(jìn)行分析，研究不同纖維對彎折強(qiáng)度的影響。