FRP增强SHCC I型构件在无剪切钢筋条件下横向加载下的结构性能

《COMPOSITE STRUCTURES》：Structural behavior of FRP-reinforced SHCC I-members without shear reinforcement under transverse loading

　　

本研究实验研究了在横向荷载下，无横向钢筋的薄壁应变硬化水泥基复合材料（SHCC）I型梁，并内配玻璃纤维增强聚合物（GFRP）筋的结构行为。研究进行了四点弯曲试验，结合数字图像相关（DIC）技术监测裂纹扩展，并与简化的理论模型进行了对比。结果表明，尽管设计旨在实现弯曲控制响应，但三根梁中有两根因腹板-翼缘交界处的剪切破坏而失效，最大弯矩为11.75 kN·m和11.81 kN·m，而弯曲破坏梁则达到14.66 kN·m。试件间失效模式的差异归因于SHCC基体中纤维分布的局部变化。SHCC的应变硬化行为引发了多重微裂纹和伪延性荷载-挠度响应，极限挠度范围为38.81 mm至43.95 mm，减轻了GFRP筋的脆性行为。数字图像相关（DIC）显示了从早期加载阶段开始的裂纹形成，并证实了临近破坏时从分布式裂纹向裂纹局部化的转变。简化的理论模型高估了弯曲强度约16%，高估了剪切强度约18%至19%，凸显了在薄壁SHCC-FRP梁中传统简化公式的局限性。研究提供了首个关于这种新型结构配置的实验基准，并强调了纤维分布和腹板几何形状在控制剪切行为中的关键作用。

**FRP增强SHCC I型构件在无剪切钢筋条件下横向加载下的结构行为解读**

**研究背景、问题与研究意义**

在土木工程领域，尤其是在腐蚀性环境中，钢筋混凝土结构中钢筋的腐蚀问题是最严峻的挑战之一。耐腐蚀材料，如碱-resistant玻璃纤维和碳纤维，作为传统钢筋在水泥基基体中的替代品而出现，可被用作织物增强材料或纤维增强聚合物（FRP）。FRP筋具有优异的耐腐蚀性和良好的力学性能，使其成为恶劣条件下钢筋的合适替代品，从而增加了FRP材料在混凝土基础设施中的应用。

尽管FRP筋具有诸多优点，但与钢筋相比也存在挑战。其中一个关键限制是其低弹性模量，导致结构设计常由使用极限状态（如过大挠度或裂缝开度）控制。此外，FRP筋在拉伸荷载下表现出线弹性行为，导致脆性破坏，限制了其在特定结构应用中的使用。FRP筋的低弹性模量降低了FRP增强混凝土梁的轴向刚度，导致跨中挠度约为钢筋增强梁的三到五倍，这不仅加速了弯曲裂缝的发展，还促进了纵向钢筋与周围混凝土之间的脱粘。此外，FRP较低的模量和由此减少的约束显著影响了构件的抗剪承载力，斜裂缝更宽，骨料互锁效应减弱，使抗剪强度在很大程度上依赖于通过未开裂受压区的荷载传递。

此外，使用带有弯曲段的FRP箍筋存在两个显著限制。首先，热固性树脂基筋在固化后无法弯曲，而在固化前制造又很困难，因为紧的弯曲或复杂的几何形状可能会在固化过程中引起纤维损伤或起皱。尽管先进的工业工艺（如纤维缠绕）允许生产具有改进质量控制预制FRP箍筋，但与最小弯曲半径和增加制造成本相关的限制仍然存在。其次，FRP筋的弯曲区域表现出降低的力学性能，因为应力集中、径向应力和外曲率处的纤维断裂可能将弯曲部分的承载能力降低至直筋的25-50%。与钢筋不同，FRP不会发生塑性屈服，阻止了应力重分布，并在弯曲区域导致脆性破坏模式。因此，与弯曲的FRP箍筋相比，直筋通常提供更均匀的应力分布和更优越的力学性能。

为提高抗剪承载力，研究人员提出了多种策略，包括在混凝土基体中使用离散纤维。纤维有助于限制裂缝宽度，保持骨料互锁，并改善后开裂行为，从而增强FRP增强梁的剪切性能。实验研究表明，纤维可以显著提高GFRP增强构件的抗剪强度和后开裂刚度，纤维常作为主要的抗剪机制。除剪切外，纤维还改善了在压缩控制弯曲破坏中破坏构件的延性。当采用应变硬化水泥基复合材料（SHCC）时，甚至有超过16%的延性增强报导。结合这些机制，SHCC与FRP钢筋的组合已成为一种有前景的策略。SHCC表现出多重微裂纹、高拉伸应变能力和稳定的后开裂行为，这使其能够更有效地利用FRP筋的高抗拉强度。

然而，尽管已有研究证明了SHCC和FRP钢筋在裂缝控制、延性、耐久性和抗剪承载力方面的优势，但所研究的结构构型主要局限于常规截面。此外，现有研究主要集中于FRP筋增强的矩形梁，而薄壁结构构件的行为仍未被充分探索。薄壁I型截面构件因其减小的腹板和翼缘厚度而面临独特挑战，这些厚度通常旨在实现轻质和细长结构元件。在这种构型中，使用常规横向钢筋变得不切实际，因为耐久性和锚固所需的混凝土保护层无法在有限的截面尺寸内容纳。尽管近年对SHCC-FRP系统已有研究，但据研究人员所知，尚无研究关注其在薄壁I型截面构件中的应用。薄壁织物增强混凝土（TRC）构件中已报道了类似的失效机制，其中过早的翼缘脱粘和腹板-翼缘交界处的损伤归因于不足的横向锚固和跨越界面的有限应力传递。近期研究表明，SHCC可以通过增强裂纹桥接、改善关键界面上的应力传递以及促进更延性的破坏模式来减轻这些脆弱性。基于此，本研究旨在开发一种内配GFRP筋的薄壁SHCC I型截面构件，并评估其无横向钢筋时的弯曲性能，这是该领域首次尝试，旨在推动FRP钢筋在细长混凝土截面中的应用。

**研究内容与结论**

本研究通过四点弯曲试验、数字图像相关（DIC）监测和理论分析，评估了内配GFRP筋的薄壁SHCC I型截面构件的弯曲行为。研究得出以下主要结论：尽管最初预期为弯曲控制响应，但三根试验梁中有两根（67%的试件）表现出由腹板-翼缘交界处开裂和分离控制的过早剪切破坏，最大弯矩分别为11.75和11.81 kN·m，而弯曲控制试件达到14.66 kN·m，表明设计阶段高估了细长SHCC腹板的抗剪承载力。腹板厚度和纤维有效性被确定为控制薄壁SHCC-FRP构件剪切响应的关键参数。名义相同试件间失效模式的变化表明，纤维分布的局部差异能显著影响剪切传递机制，即使在理论弯曲承载力足够时也可能支配破坏。SHCC基体的应变硬化行为促进了分布式开裂和伪延性荷载-挠度响应，减轻了通常与GFRP钢筋相关的脆性拉伸断裂，极限挠度范围为38.81 mm至43.95 mm，显示了破坏前显著的变形能力。荷载-挠度、弯矩-曲率和裂缝开度响应表现出双线性趋势，后开裂刚度降低，这与多重微裂纹引起的拉伸硬化效应一致。数字图像相关（DIC）揭示了从早期加载阶段开始的裂缝形成，并证实了临近破坏时从分布式裂纹向裂纹局部化的转变。简化的理论模型捕捉了弯矩-曲率行为和裂缝开度的总体趋势，但弯曲强度和剪切承载力均被高估。对于弯曲破坏的试件（梁3），理论模型高估了实验弯曲承载力约16%。类似地，所提出的剪切模型高估了实验剪切强度约18%至19%。这些结果凸显了传统简化公式应用于细长SHCC-FRP I型梁时的局限性，并表明在面向设计的应用之前需要进一步改进和校准。尽管如此，理论预测与实验结果的比较为薄壁SHCC-GFRP构件更精细的分析和数值方法的发展与验证提供了重要的首个基准。

**关键技术与方法**

研究人员采用了以下关键技术方法：1）**四点弯曲试验**：对三根长2350 mm、翼缘宽150 mm、高250 mm、腹板和翼缘厚25 mm的薄壁I型SHCC梁进行四点弯曲测试，跨度2150 mm，剪跨925 mm，以评估其结构行为。2）**数字图像相关（DIC）**：在纯弯区（300 mm长度）应用DIC技术监测裂纹萌生和扩展，通过施加随机黑白散斑图案并用5兆像素相机以5秒间隔采集图像，使用Vic-2D软件处理。3）**材料表征测试**：对SHCC基体进行28天轴向压缩试验（MTS 810/500，0.1 mm/min位移速率）确定其抗压强度和弹性模量；对GFRP筋进行直接拉伸试验（MTS 311，10 mm/min加载速率，依据ASTM D7205/D7205M）确定抗拉强度和弹性模量。4）**简化理论模型**：采用基于伯努利梁理论的弯矩-曲率模型、基于应变和应力分布的裂纹模型以及基于纤维贡献的简化剪切模型（VR = fctr * hw * tw）来预测和解释实验行为。

**研究结果**

**轴向压缩试验**：SHCC基体在28天龄期的平均抗压强度为35.8 ± 3.9 MPa，峰值应变0.00213 ± 0.0006，弹性模量32.3 ± 1.7 GPa。7天和14天强度分别达到28天强度的61.7%和73.54%。

**FRP筋直接拉伸试验**：GFRP筋的平均抗拉强度为1012.0 MPa，平均弹性模量为51.5 GPa，平均极限应变为2.09%。所有试件均满足ASTM D7957/D7957M对混凝土增强用GFRP筋的最低性能要求（抗拉强度800 MPa，弹性模量42 GPa）。

**四点弯曲试验**：
* **行为分析与失效模式**：三根梁中，梁1和梁2发生剪切破坏，表现为在支座和加载点处形成临界斜裂缝及腹板-翼缘交界处翼缘脱粘。梁3则达到弯曲破坏，表现为受拉区纵向钢筋断裂。梁3的峰值荷载（31.7 kN）比梁1和梁2平均高约20%。所有梁的荷载-挠度曲线呈双线性，在开裂后进入稳定后开裂线性阶段，梁1和梁2在峰值后出现伪延性平台。
* **纵向钢筋和混凝土应变**：梁1和梁3的部分应变片在接近峰值荷载时出现信号丢失或平台，可能归因于局部脱粘或应力集中。梁2的应变片信号丢失前表现出非线性趋势。未观察到明显的剪力滞后效应。弯矩-曲率图显示所有梁在开裂后斜率相似，但局部差异源于SHCC拉伸硬化和裂缝位置相对于仪器的变化。
* **数字图像相关（DIC）**：DIC显示所有梁在约20%最大弯矩时开始出现裂缝。随着荷载增加，新裂缝形成，但后期主要以现有裂缝增宽为主。梁1裂纹密度最高，梁2裂纹间距较大，梁3在接近破坏时出现一条主裂缝局部化并显著增宽，这与应变局部化过程一致。梁3具有最高的承载力和最大的平均裂缝开度，表明其变形能力更强。
* **理论模型**：弯曲理论模型高估了梁3的极限弯矩约16%。裂纹模型对梁3的弯矩-裂缝开度关系预测良好，但未能准确预测剪切破坏的梁1和梁2。简化剪切模型预测的剪切承载力（15.10 kN）略高于梁1（12.70 kN）和梁2（12.77 kN）的实验值，高估约18-19%，但考虑到简化假设，预测值仍属合理。

**讨论与结论**

本研究首次实验研究了无横向钢筋的薄壁SHCC I型梁内配GFRP筋的结构行为。主要结论是：腹板-翼缘交界处的剪切破坏是薄壁SHCC-FRP构件的主要失效模式，其抗剪承载力严重依赖于纤维桥接机制和腹板几何参数。纤维分布的局部变异性是导致名义相同试件失效模式不同的关键因素。SHCC基体有效提供了伪延性，但未能完全补偿GFRP筋的脆性。现有的简化分析模型在预测此类新颖结构构件的承载力和行为时存在系统性高估，特别是对于剪切主导的失效模式。因此，未来的研究需聚焦于优化腹板几何形状、提高纤维有效性以及开发能够捕捉弯曲-剪切交互作用和局部失效机制的精细化预测模型。研究结果增进了对薄壁SHCC-FRP结构系统的理解，并为此类构件的进一步研究奠定了坚实的实验基础。