新型FRP-竹-混凝土组合梁的力学行为

魏洋^{1, 2}，吴刚²，李国芬¹，张齐生¹，蒋身学¹

(1. 南京林业大学 土木工程学院，江苏 南京，210037；

2. 东南大学 混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室，江苏 南京，210096)

摘要：提出一种新型FRP-竹-混凝土组合结构，其由FRP、竹材及混凝土组合而成，混凝土与竹材通过连接件连接。对采用销钉型连接件的FRP-竹-混凝土组合梁的力学行为进行试验研究。研究结果表明：混凝土-竹材的界面表现出一定的滑移，FRP-竹-混凝土组合梁为一种部分组合结构，组合梁因底部竹材纤维拉断而达到极限承载力，FRP筋因失去外部竹材包裹黏结而退出工作，FRP筋达不到极限强度，相对于对比竹梁，极限荷载P_max提高1.84~2.06倍，对应挠度限值L/250的荷载P_L/250提高3.33~3.82倍，承载力和刚度得到大幅度地提高，新型组合梁的力学性能介于完全组合和无组合之间，可通过组合效率系数E定量反映，为减小或避免混凝土承受拉力，应尽量保证组合梁截面中性轴接近竹-混凝土组合界面。

关键词：竹结构；FRP-竹-混凝土；组合结构；力学行为

中图分类号：TU375.4          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2014)12-4384-09

Mechanical behavior of novel FRP-bamboo-concrete composite beams

WEI Yang^{1, 2}, WU Gang², LI Guofen¹, ZHANG Qisheng¹, JIANG Shenxue¹

(1. College of Civil Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China;

2. Key Laboratory for RC and PRC Structures of Education Ministry, Southeast University, Nanjing 210096, China)

Abstract: A new type of FRP-bamboo-concrete composite structures (FBCCS) was proposed, which is composed of FRP, bamboo and concrete. Concrete and bamboo were connected by connectors. The mechanical behavior of FBCCS with dowel type connections was investigated by testing and analysis. The results indicate that FBCCS are subject to a certain slip at the concrete-bamboo interface and the response of FBCCS was partially composite structures. The ultimate bearing capacity is achieved when the fracture in tension of bottom bamboo fiber occurs. The ultimate strength of FRP reinforcement is not obtained due to the bond loss of the external wrapped bamboo materials. The ultimate load P_max enhances by 1.84 to 2.06 times and the load P_L/250 corresponding midspan deflection of L/250 increases by 3.33 to 3.82 times compared with those of the bamboo beam. The carrying capacity and cross-sectional rigidity are significantly improved. The mechanical performance of the novel composite beams is intermediate between those of full-composite and non-composite structures, and the composite efficiency can be estimated by the parameter E. In order to reduce or avoid concrete subjected to tensile stresses, the neutral axis of the composite cross-section should be designed to approach the bamboo-concrete interface.

Key words: bamboo structures; FRP-Bamboo-concrete; composite structures; mechanical behaviour

竹材是当前节能环保的生物质绿色材料的重要品种之一，是一种天然有机体，具有强度高、质量小、可再生和环境友好的特点^[1-4]。我国的竹材工业化的水平和规模均居世界领先地位，先后开发了竹编胶合板、竹帘胶合板、竹材集成材、竹材层积材、竹材重组材等多种竹质工程材料，产品品种已经系列化和标准化^[5-7]。江泽慧等^[8]对结构用竹集成材物理力学性能进行了研究，竹集成材的水平剪切强度、静曲强度以及弹性模量等力学性能非常优越，水平剪切强度明显优于桉树、马尾松、落叶松、杨木、思茅松共5 种层积材。陈绪和等^[9]对竹胶合梁的制造工艺进行了研究，并报道了2004年建成的第一所用竹材制作的云南省屏边小学校舍，该校舍的屋架、屋顶板和内外墙板均为竹集成材和竹胶合板制成，这是竹人造板材首次作为结构材用于建筑，实现了竹材从天然传统建筑材料向现代工程建筑材料的转变，扩大了竹材在建筑领域的应用范围。肖岩等^[10-11]研制了装配式竹结构过度安置房，所用的主要材料为竹胶合板，该结构具有施工速度快、保温隔热效果好、造价低廉等优点，适合抗震救灾所需的过渡安置房。Li等^[12]提出了将竹材人造板与冷弯薄壁型钢复合成楼板、墙体、梁、柱等钢-竹组合构件，以发挥钢和竹2种材料的优势。魏洋等^[13]采用梁柱结构体系，实现了竹结构的快速集成装配施工。既有研究表明竹结构具有绿色、生态、环保、低碳的优良品质，尤其在近年倡导节能、低碳的背景下，竹结构的发展对于形成新的结构体系，降低结构的能耗具有显著意义^[1-4]。然而，普通竹结构存在截面刚度低，承载与跨越能力有待提高等问题，针对这些不足，本文作者提出一种新型FRP-竹-混凝土组合结构^[14]，通过3根FRP-竹-混凝土组合梁和1根对比竹梁的抗弯试验，研究新型FRP-竹-混凝土组合梁的力学行为。

1  FRP-竹-混凝土组合结构

本文提出的新型FRP-竹-混凝土组合结构如图1所示，基本原理如下^[14]：FRP材料布置于截面下部，对截面受拉区增强，利用FRP较高的抗拉强度和弹性模量提高构件的承载力与刚度，混凝土布置于截面上部，对受压区增强，利用混凝土较高的抗压能力，增加原竹结构的截面惯性矩，大幅度提高截面刚度，竹材具有较高的强重比、较好的弹性与韧性及加工性能，通过竹材将3种材料组合为一体，充分发挥各自的长处，提高竹材构件对建筑结构的适用性与经济性。新型FRP-竹-混凝土组合结构具有以下应用优点：

1) 大幅度地提高了原竹结构的截面惯性矩，从而有效提高了原竹结构的刚度，彻底改变竹结构受弯构件刚度控制设计的不利局面，克服了纯竹结构容易振动问题。

2) 采用混凝土作为新型组合结构的受压区，充分利用混凝土抗压能力强的特点，用竹材作为组合结构的主体，其具有自重小、承载力大、刚度大、抗扭能力强、延性好等优点。

3) 不改变原有竹结构的相关优点，如：生态性、易加工、易于工业化生产等。相对于混凝土结构、钢结构等传统结构，具有较大的单位重量承载力，其生产与加工过程环境污染小，能耗低，降低了钢材需求，相对于竹结构，承载能力大，跨越能力强，延性和自恢复能力好，经济效益更好。

图1  新型FRP-竹-混凝土组合结构概念图

Fig. 1  Novel FRP-bamboo-concrete composite structures

2  FRP-竹-混凝土组合梁的足尺试验

2.1  制作工艺与材料性能

FRP-竹-混凝土组合梁涉及竹材、FRP、混凝土等几种材料，竹材采用性能较好的竹材重组材。在竹材压制过程中，将FRP材料加入竹材组坯内，并将FRP材料定位后临时固定，竹材浸胶采用酚醛树脂胶， FRP材料浸胶选用性能较好的环氧树脂，以保证FRP材料与竹材之间可靠的黏结力，对含FRP材料的竹坯压制固化后，进行尺寸加工即完成FRP增强竹梁的制作，随后，在FRP增强竹梁的顶部进行钻孔，植入连接件，以实现竹梁与混凝土部分的组合，最后在竹梁的顶部绑扎构造钢筋、浇筑混凝土。

本文试验中，FRP-竹-混凝土组合梁的整个截面形状呈T形，如图2所示，竹材位于下部，混凝土位于上部受压区，试件竹梁部分尺寸为106 mm×160 mm×1 870 mm；FRP采用GFRP筋，GFRP筋截面中心距离底面20 mm，混凝土采用C30细石混凝土，混凝土翼缘宽度300 mm，厚度100 mm，混凝土内设置φ6@150的箍筋和4φ8的纵筋，纵筋和箍筋为Ⅰ级Q235钢筋。连接件采用销钉型，具体为L形φ8钢筋后植入，如图3所示，总长120 mm，植入竹梁深度50 mm，外露35 mm，垂直90°弯钩35 mm，弯钩部分指向竹梁中轴线，间距50 mm，左右呈梅花形布置，连接件采用植筋胶后植入。试件的竹材重组材的力学性能实测如下：抗拉强度为126.7 MPa，抗压强度为65.1 MPa，足尺试件实测弯曲弹性模量为11.9 GPa；GFRP筋的弹性模量为31.2 GPa，强度为723.5 MPa，混凝土立方体抗压强度为37.1 MPa，圆柱体抗压强度为25.8 MPa，弹性模量为20.1 GPa。试件详细参数如表1所示。

图2  新型FRP-竹-混凝土组合梁试件截面

Fig. 2  Section of novel FRP-bamboo-concrete composite beams

表1  试件参数

Table 1  Parameters of test specimens

图3  连接件

Fig. 3  Shear connectors

2.2  试验加载及测试

为研究FRP-竹-混凝土组合梁的抗弯性能，加载装置采用结构弯曲试验加载系统，四点弯曲加载，试件全长1 870 mm，两支座中心线间距1 710 mm，两加载点间距570 mm，采用位移控制加载。试验时，测量试件跨中、L/4、3L/4的位移(L为试件跨度)，在跨中截面沿试件高度及顶、底面粘贴应变片测量侧面应变及顶、底面应变，具体如下：竹梁表面应变片，编号B1~B9，混凝土表面应变片，编号C1~C7，标距100 mm；同时，在内部筋材的表面粘贴应变片监测应变，纵向钢筋应变片编号S1~S4，每根GFRP筋的中部粘贴4个应变片，编号F11~F14和F21~F24，以保证应变片的一定存活。试验过程中，观测竹-混凝土界面的滑移过程，记录裂缝开展及破坏过程。

2.3  试验结果与分析

2.3.1  试验过程及破坏特征

对比梁B-0的破坏发生于试件中部弯矩较大区域，如图5所示。从图5可见：当加载至142.1 kN时，底面竹纤维受拉断裂，其裂口齐整，随即自裂口顶端开始，向两端扩展产生水平纵向裂缝，其水平裂缝以下的竹材逐渐丧失承载作用，截面实际高度变小，承载力下降，对应极限荷载的跨中挠度42.6 mm，约为跨度的1/40。

图4  加载装置图(a)及跨中截面(b)应变片布置

Fig. 4  Loading setup and strain gauges layout

B-1相对于B0而言其刚度显著增大，当加载至20 kN时，在两加载点附近混凝土翼缘下部出现细微的裂缝，随着荷载的增加混凝土裂缝的宽度不断增加，并沿着混凝土翼缘的侧面向上发展；加载至200 kN时，加载点与支座之间混凝土翼缘出现斜裂缝，此时竹梁部分仍然未出现破坏迹象；加载至244 kN时，在加载点附近，翼缘顶部混凝土有轻微压碎；加载至254 kN时，竹梁底部竹纤维开始有轻微断裂，加载至260.6 kN时，底部竹纤维大量垂直断裂(图6(a))，达到其极限承载力；继续加载，荷载不再增加，翼缘顶部混凝土大面积压溃(图6(b))；同时，在裂口处，自裂口顶部沿FRP筋产生水平纵向裂缝，至加载结束，FRP筋与竹材黏结较好，未发生剥离。

对于B-2，当加载至20 kN时，在两加载点附近混凝土翼缘下部出现细微的垂直裂缝，随后裂缝高度和宽度不断增加；加载至260 kN时，在两加载点之外的混凝土翼缘侧面，出现斜裂缝；加载至292 kN时，在试件加载点附近底部竹纤维出现断裂，随即产生沿着FRP筋纵向的水平裂缝；继续加载，翼缘顶部混凝土压溃破坏，下部的竹材不断断裂，竹材逐渐丧失对FRP筋的包裹黏结作用(图6(c))，截面实际高度逐渐降低，承载力下降。B-3的加载过程及破坏特征与B-2类似，最终，翼缘顶部混凝土压溃破坏，纤维筋之外的竹材剥落。

对于3个FRP-竹-混凝土组合梁试件，混凝土-竹材的界面表现出一定的滑移，并随着荷载增加而持续增大，在试件破坏后，凿出界面连接件，连接件在与竹材界面处发生明显的弯曲变形(图7)，由于竹材的弹性模量较低，竹材难以实现对销钉型连接件的刚性锚固，竹材对连接件的约束实为一种弹性约束，界面滑移难以避免，FRP-竹-混凝土组合梁为一种部分组合结构，其整体受力性能决定于连接件的刚度及其荷载-滑移关系。

组合梁的破坏过程及形态可概括为：纯弯段混凝土出现大量垂直裂缝，且大多接近贯通，弯剪区后期出现斜裂缝，竹-混凝土界面存在相对滑移，底部竹材纤维拉断而达到极限承载力；当FRP筋直径较小时(10 mm)，FRP筋与竹材黏结较好，当FRP筋直径较大时(18 mm和22 mm)，FRP筋因失去外部竹材包裹黏结而退出工作，最终混凝土翼缘发生压溃破坏，FRP筋达不到极限强度。

图5  对比梁B-0的破坏形态

Fig. 5  Failure model of control specimen B-0

图6  组合梁试件破坏特征

Fig. 6  Failure features of FRP-bamboo-concrete composite beams

图7  竹-混凝土界面连接件变形

Fig. 7  Deformed shape of connectors at Bamboo-concrete interface

2.3.2  试件荷载-位移关系及承载力分析

试件荷载-跨中位移关系曲线见图8。其同时给出了各组合梁完全组合和无组合的理论计算曲线，以便评判连接件的连接效率。各组合梁的荷载-位移曲线基本相似，可分为3个阶段：1) 弹性阶段(P＜P_y)为荷载和挠度基本呈线性关系，竹梁与混凝土整体工作，定义荷载-位移曲线由线性变化为非线性的转折点为弹性极限P_y和P_y为极限荷载的18%~26%。2) 弹塑性阶段(P_y＜P＜P_u)。组合梁表现出一定的塑性变形，截面刚度开始逐渐降低，荷载上升越来越慢，一方面由于混凝土翼缘顶部受压的非线性及底部裂缝的不断开展引起截面刚度不断降低，另一方面由于竹-混凝土组合界面的滑移，组合梁由竹材与混凝土近似整体工作逐渐转变为竹材与混凝土的部分组合，组合截面刚度降低，荷载-位移表现为非线性关系。3) 破坏阶段(P＞P_u)：荷载达到P_u时，竹材纤维在底部发生断裂，竹梁在FRP筋水平位置处出现水平裂缝，承载力不断下降，翼缘顶面混凝土压溃，当FRP筋直径较小时(10 mm)，FRP筋与竹材黏结较好，破坏历程较长，极限位移较大，延性较好，当FRP筋直径较大时(18 mm和22 mm)，在竹材断裂后，FRP筋因失去黏结而退出工作，破坏历程较短，FRP筋直径越大，极限位移越小。

对各试件的试验结果分析如表2所示。与B0相比，新型组合梁表现出了较高的承载力和较大的截面刚度。组合梁B-1，B-2和B-3的极限荷载P_max相对于B0分别提高到1.84，2.06和2.02倍，承载力得到了大幅度地提高，由于在GFRP筋直径过大的情况下，直径越大，外部竹材的黏结厚度越小，越容易发生剥离破坏，同时存在制造误差，B-3的承载力反而略低于B-2。对应跨中挠度△=L/300(L为试件跨度)时的荷载P_L/300，B-1，B-2和B-3分别各自提高到3.54，4.07和3.87倍；对应我国《木结构设计规范》L/250挠度限值^[15]的荷载P_L/250分别各自提高到3.33，3.62和3.82倍，组合梁截面刚度大大增强，普通竹梁P_L/250/P_max为0.23，而组合梁为0.42~0.43，普通竹梁刚度控制设计的不利局面得到了根本改变。

组合结构的组合程度大小可以采用组合效率系数E(式(1))定量反映：对于完全组合结构E=1，对于无组合结构，E=0，组合效率系数E越大，组合程度越高，结构的刚度和承载力越大^[16-17]。

               (1)

式中：△为跨中位移，下标NC，FC和PC分别表示无组合、完全组合和部分组合。

图8  试件荷载-跨中位移关系曲线

Fig. 8  Load-displacement curves of specimens

对于本文试验梁，在荷载较小时，P=50 kN，E=0.64~0.70，在△=L/300时，E=0.51~0.52，在△=L/250时，E=0.46~0.47，这表明，销钉型连接件对竹-混凝土界面的连接是一种柔性连接，产生组合结构的部分组合行为，其力学性能介于完全组合和部分组合之间，而凹口型、连续金属网型等刚性连接件或许能够提供更高效率的连接方案。在接近极限状态时，试件的截面刚度低于无组合情况，这是由于混凝土大量裂缝降低了截面的刚度，因此，为了减小或避免混凝土承受拉力，在FRP-竹-混凝土组合梁设计时，应尽量保证截面中性轴接近竹-混凝土组合界面。

2.3.3  荷载-应变关系

典型组合梁跨中截面荷载-应变关系如图9所示，应变以拉为正，压为负。在整个加载过程中，竹梁下部的纤维应变与荷载基本呈线性关系，只是在临近破坏时表现出一定的非线性，竹纤维拉断的最大拉应变为(6 000~8 000)με；竹梁上部，早期承受拉应力，并随着荷载的增加拉应变越来越大，此时竹-混凝土近似完全组合；随着竹-混凝土界面滑移的产生，拉应变随后降低，在100~140 kN时转变为压应变，受压过程中表现出较大的非线性，竹纤维最大压应变B-1，B-2和B-3分别为4 000με，2 800με和2 500με左右，最大压应变值较对比梁大为降低，证实了上部混凝土的参与作用，大大降低了竹材的所受的压力。

在加载过程中，混凝土翼缘的上部自始至终都承受压力，压应变的变化与荷载的增加保持较好的线性变化，对应极限荷载时，B-1，B-2和B-3的最大压应变分别为1 500με，1 800με和1 700με左右，接近于混凝土的峰值应变；混凝土翼缘的下部在整个加载过程都表现为拉应变，并随着荷载的增加应变近似呈线性增加；在整个加载过程中随着界面滑移，部分组合行为越来越明显，混凝土翼缘的中下部(C3)由早期的受压转变为后期的受拉。

表2  试样测试结果

Table 2  Test results of specimens

图9  典型组合梁跨中截面荷载-应变关系曲线(B-1)

Fig. 9  Load-strain curves of midspan cross-section of representative composite beam (B-1)

混凝土翼缘内纵向构造钢筋的应变随着荷载变化规律与相同位置处混凝土应变的变化规律相似，纵筋分为上侧纵筋和下侧纵筋，上侧纵筋在整个受力过程中都承受压应力，应变的发展与荷载基本呈线性关系，而下侧的纵筋在开始阶段受压，后期逐渐由受压转变为受拉，受力性质的转变反映了组合梁结构内部各部分的内力重分布，在极限荷载下，纵向钢筋应变很小，未达到屈服应变。可以看出：混凝土翼缘内纵向钢筋的主要作用是防止混凝土收缩、温度裂缝等，参与受力的贡献很小，仅需按照较小直径构造配置即可。

典型跨中截面FRP筋应变与荷载的关系如图10所示。从图10可见：FRP筋的应变与荷载表现出了良好的线性增长关系，在竹材发生断裂之前，FRP筋与竹材具有很好的黏结，FRP筋的应变与相同位置处的竹材应变相近，二者变形一致，对应极限荷载时的FRP筋应变为(5 000~7 000)με，为FRP筋极限应变的1/4~1/3。FRP筋置于受拉区能够起到对竹材的有效增强作用，但由于破坏始于竹材受拉断裂，FRP筋难以达到其极限强度。

图10  典型荷载-FRP筋应变关系

Fig. 10  Load versus typical GFRP rods strain curves

2.3.4  截面应变随高度变化规律

图11所示为小荷载下组合梁跨中截面应变沿截面高度变化。从图11可见：在荷载较小时，竹-混凝土界面滑移较小，整个截面下部受拉，上部受压，平截面假定近似成立，整个截面具有共同的中性轴，如对试件B-1，中性轴距离上边缘理论值为77.3 mm，实测值为74.8，但是，可以发现在竹-混凝土的界面处，截面上、下应变并不连续，存在应变差值，荷载较小时，应变差较小，随着荷载增大，应变差越来越大，部分组合行为越来越明显。

图12所示为大荷载下组合梁跨中截面应变沿高度变化。由于组合梁界面的滑移变大，界面处应变差变得明显，平截面假定对整个截面不再成立，但是，在上下各自部分截面内，平截面假定依然成立，混凝土和竹材截面应力可分为2个部分应力叠加：其一为各自承担的弯矩引起的应力，其二为弯矩产生力偶在上、下截面引起的轴应力。在加载过程中，对于混凝土翼缘部分，中性轴基本保持不变，约位于上部截面高度的0.4倍处，下部截面的中性轴位置不断下移，上、下截面应变分布呈平行状，意味着上、下两部分的弯曲曲率相同，在加载后期，由于混凝土裂缝开展过多，试件上、下部分难以保证沿全长弯曲变形协调，跨中区域的竹材部分曲率大于混凝土部分。对应极限荷载时，B-1，B-2 和B-3的竹材部分中性轴高度分别为93，90和101 mm，约为0.60h(h为竹材截面高度)，远小于对比试件0.45h。

图11  小荷载下组合梁跨中截面应变沿截面高度的分布 (P＜80 kN)

Fig. 11  Cross-sectional strain distributions along sectional height under little load (P＜80 kN)

图12  大荷载下组合梁跨中截面应变沿截面高度的分布 (P＞80 kN)

Fig. 12  Cross-sectional strain distributions along sectional height under large load (P＞80 kN)

3  结论

1) 由于竹材的弹性模量较低，竹材难以实现对销钉型连接件的刚性锚固，混凝土-竹材的界面表现出一定的滑移，竹材对连接件的约束实为一种弹性约束，FRP-竹-混凝土组合梁为一种部分组合结构，其整体受力性能决定于连接件的刚度及其荷载-滑移关系。

2) 组合梁因底部竹材纤维拉断而达到极限承载力，在竹材断裂后，FRP筋因失去外部竹材包裹黏结而退出工作，FRP筋达不到极限强度，最终混凝土翼缘发生压溃。

3) 组合梁的荷载-位移曲线表现为弹性阶段和弹塑性阶段、破坏阶段3个阶段，相对于对比竹梁，极限荷载与截面刚度都得到了大大提高，普通竹梁刚度控制设计的不利局面得到了根本改变。

4) FRP-竹-混凝土组合梁的力学性能介于完全组合和部分组合之间，可通过组合效率系数E定量反映，为了减小或避免混凝土承受拉力，在FRP-竹-混凝土组合梁设计时，应尽量保证截面中性轴接近竹-混凝土组合界面。

5) 在竹-混凝土的界面，截面上、下应变存在应变差值，随着荷载增大，应变差越来越大，部分组合行为越来越明显，平截面假定对整个截面不再成立，但在上下各自部分截面内，平截面假定依然成立。

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(编辑  陈爱华)

收稿日期：2014-03-12；修回日期：2014-06-10

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51208262)；国家教育部博士点基金资助项目(20103204120007)；混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室开放课题(2010)；江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)(Project (51208262) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (20103204120007) supported by the PhD Programs Foundation of Ministry of Education of China; Project (2010) supported by The Open Project of Key Laboratory of Concrete and Prestressed Concrete Structures of the Ministry of Education; Project (PAPD) supported by the Fund of the Priority Academic Program Development of Jiangsu Higher Education Institutions)

通信作者：魏洋(1978-)，男，安徽合肥人，博士，副教授，从事竹木结构及FRP增强结构研究；电话：025-85427747；E-mail：wy78@njfu.edu.cn