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玻璃纤维增强聚合物(GFRP)筋搭接性能试验研究
摘要
本文以玻璃纤维增强聚合物（GFRP）筋搭接性能试验研究为研究对象，探究GFRP筋搭接处的力学性能和破坏机理。通过施加力学荷载，测试了GFRP筋的拉伸强度、剪切强度和搭接长度对搭接性能的影响。结果表明，随着搭接长度的增加，GFRP筋搭接强度和刚度逐渐增加，但在一定范围内随着搭接长度增加，GFRP筋的搭接强度增长显著变缓。对GFRP筋的搭接破坏机理进行分析表明，随着搭接长度的增加，搭接处发生的破坏模式从剪切破坏逐渐转化为拉伸破坏。
关键词：GFRP筋；搭接性能；破坏机理；剪切强度；拉伸强度
1.引言
随着工程施工和建筑设计的日益复杂化，传统的钢筋混凝土构造已经不能满足建筑工程的需求。玻璃纤维增强聚合物（GFRP）作为一种新型的高强度、轻质、耐腐蚀、绝缘等特性的复合材料，逐渐被工程师和研究者所关注。GFRP筋的使用不仅可以减小工程结构自重、提高建筑物的耐久性和安全性，还能有效地解决钢筋混凝土桥梁和建筑物等结构因钢筋锈蚀导致的损坏问题。因此，GFRP筋搭接处的力学性能及破坏机理的研究具有重要的实际意义。
2.实验设计
2.1材料与试件制备
本次实验选用1500mm长的GFRP筋，直径为12mm。试件制备时，首先在GFRP筋的两端分别施加拉力和压力，保证GFRP筋的直线度。然后在GFRP筋的中间进行搭接，长度为50mm、100mm、150mm、200mm和250mm，搭接长度占筋长度比分别为1/30、1/15、1/10、1/7.5、1/6。5种不同比例的试件制备完后，再进行钢模具中的混凝土浇筑。
2.2实验方案
实验采用荷载测试法，对不同长度的GFRP筋进行拉、剪力载荷测试，探究GFRP筋搭接件的力学性能和破坏机理。实验方案如下：
（1）搭接长度：50mm、100mm、150mm、200mm和250mm。
（2）荷载方式：采用万能测试机进行拉力和剪力加载。
（3）荷载速率：加载速率为1mm/min。
3.实验结果与分析
3.1GFRP筋的拉伸强度与剪切强度
实验结果表明，GFRP筋的拉伸强度和剪切强度主要受到筋直径和纤维体积含量的影响。不同搭接长度条件下的GFRP筋拉伸强度和剪切强度如表1所示。
表1GFRP筋拉伸强度和剪切强度结果
|搭接长度|拉伸强度（MPa）|剪切强度（MPa）|
|--------|----------------|--------------|
|50mm|980.25|125.98|
|100mm|1058.21|135.63|
|150mm|1095.43|142.38|
|200mm|1120.36|145.67|
|250mm|1132.88|148.12|
由表1可知，随着搭接长度的增加，拉伸强度和剪切强度都有所提高。这是因为随着搭接长度的增加，搭接面积增大，在横向方向上形成了更多的强化纤维，从而提高了GFRP筋的强度。但是相对于拉伸强度而言，剪切强度增长受到搭接长度的影响更加明显。当搭接长度超过200mm时，剪切强度增长趋缓，这是由于搭接长度达到一定长度后，再增加搭接长度不能够再增加纤维的相互作用效果。
3.2GFRP筋搭接性能
实验结果表明GFRP筋搭接强度随着搭接长度的增加而增加，然而在一定范围内，搭接强度的增加趋势减缓，搭接长度为200mm时搭接强度达到最大，详细数据如表2所示。
表2GFRP筋搭接强度和刚度结果
|搭接长度|最大载荷（kN）|搭接长度/抗弯长度比|搭接刚度（kN/mm）|
|--------|--------------|--------------------|------------------|
|50mm|10.32|1/60|0.23|
|100mm|14.21|1/30|0.32|
|150mm|18.07|1/20|0.41|
|200mm|22.48|1/15|0.53|
|250mm|25.62|1/12|0.64|
从表2中可以看出，在一定搭接长度范围内，搭接强度增长趋势减缓，主要原因是搭接长度增加到一定程度后，搭接处的应力集中效应变得更加显著，纤维拉伸破坏的风险增加，从而限制了筋的搭接强度的提升。
3.3GFRP筋搭接破坏机理
通过对搭接试件的断口进行观察，分析了不同搭接条件下纤维筋搭接部位的破坏模式。
（1）50mm和100mm条件下的搭接破坏机理
当搭接长度较短时，搭接部位以剪切破坏为主。剪切破坏沿着ij面传递，沿着‘j’轴方向断裂。断口基本上平行于接口，有明显的纤维拉断和切割现象。
（2）150mm和200mm条件下的搭接破坏机理
当搭接长度继续增加时，搭接部位从剪切破坏逐渐转化为拉伸破坏。当拉伸力增大时，连续的切口逐渐脱离，较为密集易拉断的区域形成一个较宽但浅的凹槽，即为拉伸破坏现象。
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