混合FRP梁與混凝土橋面板的復(fù)合作用分析

摘要：文章選取可用于混凝土橋面板的混合工字型FRP梁進(jìn)行試驗(yàn)研究，以考察在混合FRP梁上放置混凝土橋面板的組合結(jié)構(gòu)的抗彎性能以及混合FRP梁和混凝土橋面板之間的抗剪連接方式。結(jié)果表明，復(fù)合材料提供了更高的結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度，玻璃鋼組合梁具有更高的延性；混合FRP梁頂部翼緣的壓應(yīng)變顯著減少，有效防止了梁的突然破壞；復(fù)合材料梁的破壞主要由混凝土被壓碎引起，混合FRP梁的上部翼緣和腹板發(fā)生剪切破壞。

關(guān)鍵詞：混合FRP梁；纖維復(fù)合材料；混凝土橋面板；復(fù)合作用

中圖分類號(hào)：U443.33" " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.036

文章編號(hào)：1673-4874（2024）11-0119-03

0引言

纖維增強(qiáng)聚合物（FiberReinforcedPolymer，簡(jiǎn)稱FRP）復(fù)合材料已被應(yīng)用于國(guó)防、航空、汽車、工業(yè)和建筑等領(lǐng)域。FRP復(fù)合材料具有強(qiáng)度高、質(zhì)地輕、高耐腐蝕性、耐老化等特征，使其成為具有吸引力的橋梁施工材料。然而，F(xiàn)RP復(fù)合材料也存在成本較高、彈性模量低、線彈脆性大等問題，在FRP建材的發(fā)展道路上仍需要不斷地探索。FRP作為新型的土木工程材料，其在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用尚處于初步探索階段［1］。鄭宏等［2］開發(fā)了一種用于橋梁的混合FRP材料，該復(fù)合梁優(yōu)化了碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）和玻璃纖維增強(qiáng)聚合物（GFRP）的聯(lián)合使用，以獲得最大的結(jié)構(gòu)性能，同時(shí)最小化生產(chǎn)成本。張瑞斌［3］研究了工字型混合FRP梁的彎曲性能影響因素，當(dāng)梁體進(jìn)入彈塑性階段以后，加固后的混凝土梁拉伸損傷會(huì)顯著降低。楊文偉等［4］對(duì)CFRP不同約束方式下拉擠型GFRP管混凝土組合柱的承載性能進(jìn)行了研究，試件承載力隨CFRP間距減小逐漸增大，CFRP間距、布置方式等參數(shù)變化對(duì)初始剛度影響不大。因此，需要進(jìn)一步的改進(jìn)和開發(fā)來提高混合FRP復(fù)合材料的能力。國(guó)內(nèi)外對(duì)于推進(jìn)混合FRP復(fù)合材料在橋梁上的應(yīng)用進(jìn)行了大量的研究，驗(yàn)證FRP材料可適用于橋梁工程領(lǐng)域［5］。

在今后的橋梁工程中，混合FRP復(fù)合材料很可能會(huì)被用作支撐混凝土橋面板的主梁。因此，選取可用于混凝土橋面板的混合FRP梁進(jìn)行了試驗(yàn)研究，以考察在混合FRP梁上放置混凝土橋面板的組合結(jié)構(gòu)的抗彎性能，并研究了混合FRP梁和混凝土橋面板之間不同抗剪連接方式的抗剪性能。

1材料和試驗(yàn)方法

1.1材料性質(zhì)

本研究中采用的混合FRP梁的翼緣寬度為95mm，高度為250mm。頂部和底部翼緣由14mm厚的CFRP和GFRP組成，腹板采用9mm厚的GFRP。混合FRP梁示意圖見圖1，材料組成見表1。表1中，翼緣組成有上到下分別是同方向編織的CFRP（CFRP0°）、正交編織的GFRP（GFRP0°/90°、GFRP±45°）和GFRP網(wǎng)，角度代表纖維方向與梁軸線夾角。通過試驗(yàn)確定了混合FRP梁的材料力學(xué)性能，其翼緣和腹板的力學(xué)性能見表2。

1.2混合FRP梁靜力彎曲試驗(yàn)

下頁表3為帶混凝土和不帶混凝土的全尺寸混合FRP梁的說明，樣品FRP-14mm是具有14mm厚翼緣的混合FRP梁。

采用四點(diǎn)加載靜態(tài)彎曲試驗(yàn)研究FRP-14mm的抗彎性能，試驗(yàn)裝置示意圖見下頁圖2。制作了2個(gè)1.5m長(zhǎng)、加載跨距為1.0m的混合FRP梁，使用3000kN液壓千斤頂施加荷載。在支架附近安裝安全裝置，[JP3]防止梁發(fā)生側(cè)向失穩(wěn)；在安全裝置和混合FRP梁之間插入聚四氟乙烯板，以減少試驗(yàn)過程中的摩擦影響；用應(yīng)變計(jì)測(cè)量混合FRP梁上的應(yīng)變；安裝位移傳感器測(cè)量組合梁跨中位移。

1.3混合FRP梁和混凝土橋面板的抗剪連接

本研究為防止混合FRP梁與混凝土橋面板之間脫粘破壞，采用機(jī)械緊固件和粘合劑用于連接復(fù)合材料。其中，F(xiàn)RP-conc1是僅用環(huán)氧樹脂連接的覆蓋預(yù)制混凝土橋面板的FRP梁，F(xiàn)RP-conc2是用U型螺栓和環(huán)氧樹脂連接的現(xiàn)澆混凝土橋面板FRP梁，分別對(duì)其進(jìn)行四點(diǎn)加載試驗(yàn)?；炷翗蛎姘搴?5mm，寬275mm，并配有3根直徑6mm的鋼筋。橋面板采用C35混凝土，F(xiàn)RP-conc1和FRP-conc2的尺寸分別見圖3和圖4。

環(huán)氧樹脂粘合劑涂抹在FRP-conc2的U型螺栓周圍，并應(yīng)用于混合梁的上翼緣；將細(xì)碎石分布在環(huán)氧樹脂粘合劑中，固化24h。兩個(gè)試件的抗剪連接方式見圖5。

2試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1混合FRP梁的抗彎性能

2.1.1荷載-撓度關(guān)系

在四點(diǎn)加載時(shí)，混合FRP梁中跨的荷載-撓度關(guān)系見圖6。結(jié)果表明，混合FRP梁在最終破壞前為線彈性，無損傷跡象。FRP-14mm在施加荷載為194.86kN時(shí)，發(fā)生破壞，撓度為56.62mm。

2.1.2荷載-應(yīng)變關(guān)系

FRP-14mm試件跨中的頂部和底部法蘭的載荷和應(yīng)變之間的關(guān)系如圖7所示。在圖7中，TF表示連接在頂部法蘭上的應(yīng)變計(jì)的平均讀數(shù)，而BF表示FRP梁底部法蘭上的平均應(yīng)變計(jì)讀數(shù)。結(jié)果表明，拉和壓應(yīng)變隨荷載均呈線性增加。FRP-14mm的最大拉應(yīng)變?yōu)?240με，最大壓應(yīng)變?yōu)?130με。在整個(gè)試驗(yàn)過程中，頂部翼緣和底部翼緣的實(shí)測(cè)應(yīng)變幾乎相等，由于混合FRP梁的拉伸比壓縮強(qiáng)度大，因此預(yù)計(jì)在底部翼緣處會(huì)發(fā)生破壞。

根據(jù)試件試驗(yàn)確定混合FRP梁在底部翼緣的破壞應(yīng)變?yōu)?000με。然而，在FRP-14mm中測(cè)量到的最大拉應(yīng)變僅為破壞應(yīng)變的45%。這表明混合FRP梁壓板的拉伸強(qiáng)度沒有得到有效的利用，進(jìn)一步證明了需要增加一個(gè)混凝土橋面板，以提高底部翼緣的穩(wěn)定性。

2.1.3破壞模式

FRP-14mm的破壞模式是CFRP和GFRP組合板與GFRP層壓板之間的分層，隨后腹板受到剪切破壞。混合FRP梁是突然發(fā)生破壞，在最終破壞前沒有損壞的跡象。由于拉應(yīng)力的作用，相對(duì)硬的CFRP和GFRP組合板和相對(duì)軟的GFRP壓層板之間可能發(fā)生分層。因此，為了更有效地在橋梁工程中應(yīng)用混合FRP梁，必須消除這種類型的破壞模式。

2.2抗剪連接方式

2.2.1荷載-撓度關(guān)系

FRP-conc1和FRP-conc2荷載-撓度關(guān)系的比較見圖8。結(jié)果表明，在A點(diǎn)即混凝土在180kN時(shí)開裂。然而，在環(huán)氧樹脂的每次脫粘開始時(shí)，兩個(gè)試件的荷載都逐漸下降。FRP-conc1（B點(diǎn)）荷載為200kN時(shí)，F(xiàn)RP-conc2（C點(diǎn)）的荷載為230kN。脫粘引發(fā)了混凝土橋面板裂縫的拓寬，導(dǎo)致有效截面降低，表現(xiàn)為荷載下降和剛度降低。

試驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)RP-conc2的剛度比FRP-conc1稍強(qiáng)。環(huán)氧樹脂粘合劑使混合FRP梁上的荷載平穩(wěn)的轉(zhuǎn)移到混凝土橋面板上。當(dāng)在D點(diǎn)施加420kN的荷載時(shí)，F(xiàn)RP-conc1由于環(huán)氧樹脂粘合劑完全脫粘，導(dǎo)致混合FRP梁與混凝土橋面板分離，此時(shí)FRP-conc2荷載突然下降到350kN，然后再次回到點(diǎn)E的400kN荷載時(shí)，撓度為7.42mm。這一結(jié)果表明，U型螺栓開始促進(jìn)混合FRP梁和混凝土橋面之間的剪力錨固。混凝土流入由U形螺栓產(chǎn)生的開孔，形成了銷釘，提供了阻力。同樣，與混凝土周圍放置在開孔中的鋼筋改善了混合FRP梁和混凝土橋面之間水平剪切力的傳遞。在加載448kN（點(diǎn)F）時(shí)，由于加載點(diǎn)下的混凝土被壓縮破碎。

2.2.2破壞模式

圖9顯示了混凝土橋面板混合FRP梁的破壞模式。在180kN荷載下，混凝土橋面板因缺乏鋼筋發(fā)生剪切裂縫。當(dāng)FRP-conc1和混凝土之間的環(huán)氧樹脂脫粘時(shí)，F(xiàn)RP-conc1發(fā)生破壞，隨后是混合FRP梁腹板的彎曲和

壓縮破壞；嵌在預(yù)制混凝土橋面板上的U型螺栓，在破壞時(shí)全部斷裂。FRP-conc2的破壞是由混凝土被壓碎引起的，隨后是腹板的彎曲和壓縮破壞；然而，由于U型螺栓的存在，即使在破壞時(shí)，混凝土橋面板仍然附著在混合FRP梁上，表明結(jié)合使用環(huán)氧樹脂+U型螺栓是更有效的抗剪連接方式。

2.2.3載荷-應(yīng)變關(guān)系

無混凝土橋面板的混合FRP梁頂、底部翼緣的應(yīng)變相當(dāng)，表明中軸位于梁截面的中間?；旌螰RP梁和混凝土橋面板的復(fù)合作用增加了試件的有效高度，使中軸向混凝土橋面板的底部移動(dòng)。圖10顯示了FRP-conc1和FRP-conc2在不同荷載下的跨中橫截面應(yīng)變曲線。在低荷載下，兩個(gè)試件呈現(xiàn)近似線性行為，中軸大致位于混凝土橋面板底部附近的相同位置。在較高荷載下，應(yīng)變曲線呈現(xiàn)非線性，環(huán)氧樹脂粘合劑脫粘后，混合FRP梁頂部翼緣的應(yīng)變顯著增加，使中軸遠(yuǎn)離混凝土橋面板。

對(duì)于FRP-conc1，脫粘導(dǎo)致預(yù)制混凝土橋面板的最大應(yīng)變未達(dá)到3000με的預(yù)期，僅為2400με，F(xiàn)RP-conc1梁僅為4400με。對(duì)于FRP-conc2，由于其使用了U型螺栓消除了完全粘結(jié)破壞的可能性，混凝土在4100με下發(fā)生壓縮破壞，F(xiàn)RP-conc2梁的最大應(yīng)變?yōu)?500με。由于避免了FRP-conc2梁和混凝土橋面板的脫粘，因此，在FRP-conc2上測(cè)量到了更高的應(yīng)變值。這表明，利用混凝土的高抗壓強(qiáng)度，可以更好地利用混合FRP梁的高抗拉強(qiáng)度。

3結(jié)語

本文對(duì)混合FRP梁抗彎性能的研究表明，當(dāng)混合FRP[JP]梁上覆蓋的材料抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于混合FRP時(shí)，其在底部翼緣易破壞。因此，如果在混合FRP梁的底部翼緣上覆蓋混凝土等材料，可以充分發(fā)揮混合FRP梁的優(yōu)越性。在四點(diǎn)加載作用下，對(duì)混合FRP梁進(jìn)行了靜力試驗(yàn)，研究了此類梁的抗彎性能。結(jié)果表明，U型螺栓與環(huán)氧樹脂粘合劑結(jié)合能提供更大的抗剪承載力，避免結(jié)構(gòu)脆性破壞。因此，U型螺栓+環(huán)氧樹脂粘合劑可以作為混合FRP梁和混凝土橋面板之間的抗剪連接方式。在混合FRP梁頂部增加混凝土橋面板可增強(qiáng)其剛度和強(qiáng)度，降低結(jié)構(gòu)破壞時(shí)的撓度和翼緣的壓應(yīng)變，有效防止層壓板分離和梁的突然破壞。

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作者簡(jiǎn)介：鄭亮亮（1990—），工程師，主要從事路橋施工工作。

收稿日期：2024-05-18