T形肋GFRP抗剪连接件的静载推出试验

摘要：为改善玻璃纤维增强塑料（GFRP）与混凝土的界面粘结性能，进行了3组共计9个T形肋GFRP抗剪连接件的静载推出试验，主要考虑了T形肋内开孔及横向穿孔钢筋2个参数对其抗剪性能的影响，得到了破坏形态、裂缝分布规律及荷载相对滑移关系，分析了T形肋对GFRP抗剪连接件粘结滑移性能、极限承载力以及破坏机理的影响。基于试验得到的破坏机理建立了T形肋GFRP抗剪连接件的极限承载力计算公式。结果表明：T形肋增加了GFRP抗剪连接件与混凝土的接触面积，提高了界面的粘结力；界面出现滑移后，T形肋孔内的混凝土榫或钢筋混凝土榫能提供更好的抗剪性能；孔内是否配置横向穿孔钢筋将导致试件出现2种不同的破坏形态。

关键词：抗剪连接件；GFRP；推出试验；T形肋；粘结滑移；极限承载力；破坏机理

中图分类号：TU398文献标志码：A

Abstract： In order to improve the interfacial bond properties between GFRP and concrete， pushout tests were conducted to investigate the mechanical behaviors of nine Ttype rib GFRP shear connectors， considering the effects of holes and horizontal perforated steel bars. The failure patterns， crack distribution rules and loadslip relationships， were obtained by contrast experiments. The loadslip behaviors， damage mechanisms and ultimate bearing capacities were analyzed. The formulae of ultimate bearing capacity were proposed. The results show that contact surface areas are increased and interfacial bond properties between Ttype rib GFRP shear connectors and concrete are improved. Concrete tenon or rebar tenon of Ttype perfobond rib GFRP shear connectors can provide better shear capabilities after interface slipping. Whether the configuring of horizontal perforated steel bars lead to two different failure patterns.

Key words： shear connector； GFRP； pushout test； Ttype rib； bondslip behavior； ultimate bearing capacity； failure mechanism

0引言

玻璃纤维增强塑料（Glass Fiber Reinforced Plastic，GFRP）是由玻璃纤维与树脂基体材料复合而成，可经过压制、缠绕、拉挤等工艺加工成各种工程结构用型材。GFRP混凝土组合结构是将GFRP构件和混凝土浇筑成为整体而共同受力的一种结构，它能够充分发挥GFRP受拉与混凝土受压性能好的优点，是工程结构的重要发展方向之一[13]。在这种组合结构中，GFRP构件和混凝土之间可以通过抗剪连接件实现共同工作，因此抗剪连接件在GFRP混凝土组合结构的设计中显得非常重要。为改善下部GFRP构件与上部混凝土的界面粘结性能，Matsui等[4]、韩国建设技术委员会等[5]、Bank等[6]、范海丰等[3]、杨勇等[7]、薛伟辰等[8]以及黄辉等[9]分别借助不同构造做法各自开发了GFRP混凝土双向组合桥面板，实现了双向配筋，其共同点在于：在GFRP底板上增设GFRP板肋，伸出的板肋兼作为抗剪连接件；同时在板肋内预留孔洞，通过在预留孔洞内配置横向穿孔GFRP筋或普通钢筋，实现双向受力。

围绕GFRP与混凝土之间的界面滑移特性，各国学者进行了一系列推出试验研究：Nguyen等[10]通过在GFRP工字形构件上预埋栓钉连接件，进行了采用栓钉的GFRP超高性能纤维改性混凝土界面推出试验研究；薛伟辰等[8]、Nam等[11]分别对开孔板GFRP抗剪连接件进行了推出试验研究。以上推出试验研究为GFRP抗剪连接件的工程应用提供了理论依据，但主要集中在栓钉与开孔板连接件2种形式。本文进行了T形肋GFRP抗剪连接件的静载推出试验研究，主要考虑了T形肋内开孔及横向穿孔钢筋2个参数对其抗剪性能的影响，得到了其破坏机理，基于破坏机理提出了该新型抗剪连接件的极限承载力计算公式，可供工程设计参考。1试验方案

1.1试件设计与制作

本文设计制作了如图1所示的增设有T形肋抗剪连接件的GFRP箱形构件，整个GFRP箱形构件通过拉挤工艺一次成型，能很好地保证伸出的T形肋抗剪连接件与下部空心箱形构件形成整体共同受力。设计并制作了3组共计9个T形肋GFRP抗剪连接件的静载推出试件，包括：T形肋不开孔试件、T形肋开孔试件、T形肋开孔且贯穿钢筋试件，编号分别为11～13，31～33，51～53。推出试件规格见表1，推出试件设计分别见图2～4。

1.2位移测量方案

受力性能，下面仅以试件12为代表，来说明本组试件从开始加载到最终破坏的受力全过程。开裂前相对滑移较小，荷载稳定增长。力加载至386 kN时，相对滑移为1.340 mm，听到细微的响声，左边混凝土块内表面底部出现八字形剪切主裂缝，宽度约0.15～0.25 mm。开裂后改由位移控制加载，荷载相对滑移曲线进入下降段，相对滑移加载至1.540 mm时，荷载下降至383 kN，左边混凝土块顶面沿T形连接件边缘出现45°角斜裂缝。相对滑移加载至1.740 mm时，荷载下降至367 kN，左边混凝土块外表面底部中心位置出现竖向劈裂裂缝，裂缝宽度约0.2 mm。相对滑移加载至2.140 mm时，荷载下降至360 kN，此时八字形剪切主裂缝宽度超过1.5 mm，继续加载，最终右边混凝土块未出现明显剪切裂缝，左边混凝土块突然出现剪切破坏，而GFRP抗剪连接件基本完整。典型破坏形态及裂缝分布如图9（a）～（c）所示。这里需要说明的是，由于推出试验采用的是集中加载，加载当中微小的初始偏心会影响到推出试件左右两边的均匀受力程度，为此最终破坏时3个试件左右两边的混凝土块并不是全部同时出现剪切破坏。

2.1.2T形开孔试件31～33

试验过程中试件31～33基本表现出相同的受力性能，下面仅以试件31为代表，来说明本组试件从开始加载到最终破坏的受力全过程。开裂前荷载稳定增长，相对滑移变化较小。力加载至373 kN时，相对滑移为1.055 mm，听到细微响声，左边混凝土块内表面底部出现八字形剪切主裂缝，宽度约0.1 mm。开裂后改由位移控制加载，随着荷载级数的增加，裂缝不断延伸，左边混凝土块外表面底部出现一些细小的裂缝，靠近中间位置有1条向上延伸的竖向劈裂裂缝。相对滑移加载至1.728 mm时，荷载上升至480 kN，左右两边混凝土块顶面沿T形连接件边缘出现45°角斜裂缝。相对滑移加载至2.038 mm时，荷载上升至551 kN，右边混凝土块内表面底部突然出现八字形剪切主裂缝，此时左边混凝土块内表面底部八字形剪切主裂缝宽度约2 mm，荷载相对滑移曲线进入下降段。继续加载，最终左右两边混凝土块突然出现剪切破坏，而GFRP抗剪连接件基本完整。典型破坏形态及裂缝分布如图9（d）～（f）所示。

2.1.3T形开孔且贯穿钢筋试件51～53

试验过程中试件51～53基本表现出相同的受力性能，下面仅以试件52为代表，来说明本组试件从开始加载到最终破坏的受力全过程。开裂前荷载稳定增长，相对滑移变化较小。力加载至426 kN时，相对滑移为0.573 mm，听到细微响声，右边混凝土块内表面底部出现八字形剪切裂缝，宽度未超过0.1 mm。开裂后改由位移控制加载，相对滑移加载至0.652 mm，荷载上升至470 kN时，右边混凝土块外表面底部出现一些细小的裂缝，靠近中间位置有2条向上延伸的竖向劈裂裂缝。位移加载至1.800 mm，荷载达到最大值666 kN时，荷载相对滑移曲线开始进入下降段。最后位移加载至2.600 mm，荷载下降至630 kN时，听到清脆的断裂声，相对滑移量突变，左右两边抗剪连接件根部同时被剪断，此时两边混凝土块外表面底部及内表面底部的裂缝发展十分稳定，基本维持在刚开裂时的状态，两边混凝土块顶面未出现斜裂缝。典型破坏形态及裂缝分布如图9（g）～（i）所示。

2.2荷载相对滑移关系

抗剪连接件的力学性能可以由荷载相对滑移曲线来反映，荷载相对滑移曲线规律取决于：①混凝土块的抗剪能力，影响因素包括混凝土块截面尺寸及强度、T形肋孔内混凝土榫或钢筋混凝土榫的销栓力；②GFRP连接件的抗剪能力。各试件的荷载相对滑移曲线如图10所示。由图10可知，3组试件的荷载相对滑移曲线经历了3个阶段：①线性阶段，初期加载时，荷载稳定增长，荷载随相对滑移的增大基本呈直线变化，相对滑移量很小；②非线性阶段，当荷载缓慢增大到一定程度时，荷载随相对滑移的增大呈非线性变化，相对滑移增大的速度超过荷载上升的速度，荷载相对滑移曲线偏向滑移轴，直至达到试件的极限荷载；③下降阶段，连接件承受的荷载下降，而相对滑移迅速增大。

由于T形不开孔试件的界面抗滑移性能主要取决于GFRP与混凝土的粘结力，而T形开孔试件在T形肋内增设有孔洞，浇筑混凝土后形成混凝土榫，当界面出现滑移时，混凝土榫能明显改善试件的抗滑移性能。当荷载相对滑移进入非线性阶段后，T形不开孔试件的相对滑移增长速度明显快于荷载上升的速度，使得曲线迅速偏向相对滑移轴。对比图10（a），（b）可以发现，达到极限承载力时，T形不开孔试件的相对滑移要大于T形开孔试件。

当在T形肋孔洞内配置横向穿孔钢筋时，浇筑混凝土后会形成钢筋混凝土榫，当界面出现滑移时，钢筋混凝土榫提供的抗剪能力要大于混凝土榫。对比图10（b），（c）可以发现，达到极限承载力时，T形开孔且贯穿钢筋试件的相对滑移要小于T形开孔试件。

2.3破坏机理

T形肋内是否开孔以及孔洞内是否配置横向穿孔钢筋，将直接导致试件出现2种不同的破坏形态。

2.3.1第1种破坏形态

T形不开孔试件与T形开孔试件基本表现出相同的破坏形态。在加载过程中，首先在混凝土块内表面底部靠近T形肋附近出现八字形剪切裂缝，并随着荷载的不断增大，在混凝土块顶面靠近T形肋附近、混凝土块外表面底部中心位置出现剪切裂缝，达到极限承载力时，混凝土块内、外表面及顶面的裂缝有封闭贯通趋势，最终混凝土块出现剪切破坏，内表面底部八字形剪切裂缝处混凝土脱落严重，破坏时GFRP抗剪连接件基本完整。

2.3.2第2种破坏形态

T形开孔且贯穿钢筋试件呈现出与无贯穿钢筋试件完全不同的破坏形态。T形肋内的横向穿孔钢筋与混凝土形成钢筋混凝土榫，明显提高了左右两边混凝土块的抗剪能力，使得混凝土块的抗剪能力明显大于GFRP抗剪连接件。因此，在加载过程中，混凝土块基本未开裂或裂缝宽度很小，最终中间GFRP抗剪连接件根部被剪断。3极限承载力计算

根据前文试验结果给出的试件2种不同破坏形态，分别建立不同的极限承载力计算公式。

3.1混凝土剪切破坏时的极限承载力

件与混凝土块的接触面积，增强了界面的粘结力。界面出现滑移后，T形肋开孔试件由于孔内混凝土榫或钢筋混凝土榫的销栓效应，能提供更好的抗剪能力。

（2）推出试件的抗剪能力由左右两边混凝土块与中间T形肋GFRP抗剪连接件提供，其最终破坏形态取决于两者抗剪强度的强弱对比。当无横向穿孔钢筋时，左右两边混凝土的抗剪强度弱于中间T形肋GFRP抗剪连接件，故最终混凝土出现剪切破坏，GFRP抗剪连接件基本完整。当有横向穿孔钢筋时，中间T形肋GFRP抗剪连接件的抗剪强度弱于左右两边混凝土块，故最终GFRP抗剪连接件根部剪断，左右两边混凝土块基本完整。

（3）基于试件2种不同的破坏形态，分别建立了无横向穿孔钢筋和有横向穿孔钢筋的极限承载力计算公式，当采用本文公式计算时具备足够的安全富余系数，可为工程设计提供参考。

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