CN104234182A

CN104234182A - 一种采用新型组合界面的frp型材—混凝土组合结构

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Publication number: CN104234182A
Application number: CN201410392746.1A
Authority: CN
Inventors: 张普; 吴刚; 高丹盈; 朱虹; 孟少平
Original assignee: Zhengzhou University
Current assignee: Zhengzhou University
Priority date: 2014-08-11
Filing date: 2014-08-11
Publication date: 2014-12-24

Abstract

本发明属于混凝土结构技术领域，具体涉及一种采用新型组合界面的FRP型材—混凝土组合结构。该结构中包括FRP型材模板、FRP剪力键、界面树脂层和混凝土；FRP剪力键设置于FRP型材模板表面；混凝土直接浇筑于FRP型材模板表面；FRP剪力键、FRP型材模板表面与现浇混凝土之间设有界面树脂层。本发明所提供的新型组合界面的FRP型材—混凝土组合结构，制备过程简便，易操作，同时具有较强的可设计性、结合了现有的湿粘结和钢螺栓剪力键的技术优点，技术效果突出，可以较为有效的克服FRP型材与混凝土之间易剥离脱落、钢螺栓剪力键易生锈且易对FRP型材造成打孔损坏的技术缺陷，利于FRP型材-混凝土组合结构的推广应用。

Description

一种采用新型组合界面的FRP型材—混凝土组合结构

技术领域

本发明属于混凝土结构技术领域，具体涉及一种采用新型组合界面的FRP型材—混凝土组合结构。

背景技术

现有建筑施工技术中，由于钢筋锈蚀所导致的基础设施耐久性严重下降，造成了巨大的经济损失。统计数据表明，钢筋和钢材腐蚀所造成的经济损失一般可达国民经济总产值（GDP）的2~4%，如欧洲约为3%，美国和澳大利亚均为4.2%，而波兰则为6~10%，我国约为6%。因而提高基础设施耐久性是世界各国经济和社会发展面临的重要问题。

纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Polymer，简称FRP）的出现，为提升基础设施耐久性带来了希望。与传统的钢材、钢筋和混凝土等结构材料相比，FRP材料具有优异的耐腐蚀性能、较高的比强度、比模量和较好的抗疲劳性能等显著优点。

在FRP型材—混凝土组合结构中，FRP型材不仅可以作为混凝土结构的模板，还能作为组合梁的抗弯增强材料，在提高混凝土结构耐久性的同时也可提升结构的安全性能，因而在恶劣环境中使用时FRP型材—混凝土组合结构的性能优势更为明显。已有研究表明，FRP型材—混凝土组合结构能够较为充分的发挥FRP材料的轻质高强、耐腐蚀的优点以及混凝土高抗压强度的优势，具有高耐久、重量轻、施工快速和耐疲劳等优点，是一种极具应用潜力的结构形式。

FRP型材与混凝土的组合界面连接/粘结性能是FRP型材—混凝土组合结构的关键问题。现有的FRP型材与混凝土之间常见的连接方式有：直接浇筑、环氧胶接干粘结界面、钢螺栓剪力键连接等方式。直接浇筑连接的FRP型材与混凝土的组合界面连接/粘结能力往往较为有限；而纯环氧胶粘结的FRP型材与混凝土的组合界面的承载力较低，容易产生局部剥离；钢螺栓剪力键连接方式则需要在FRP型材表面打孔，从而对型材造成一定程度的削弱，同时钢连接件存在着锈蚀问题。由于现有的FRP型材与混凝土的组合界面连接方式的弊端在一定程度上限制了FRP型材—混凝土组合材料的推广应用，因而有必要继续改进提高FRP型材与混凝土之间界面抗剪切承载力的连接方式。

发明内容

本发明目的在于提供一种采用新型组合界面的FRP型材—混凝土组合结构，所述新型组合结构中FRP型材与混凝土组合界面之间采用一种新型连接方式，即新型组合结构的组合界面处依靠剪力键提供的机械咬合力和湿粘结树脂提供的粘结力共同承担界面剪力；本发明可以较好地解决FRP型材与混凝土界面之间易发生滑移失效的问题，使FRP型材与混凝土共同受力和协同工作，同时又使得组合结构具有较好的耐久性能。

本发明所采取的技术方案如下：

一种采用新型组合界面的FRP型材—混凝土组合结构，包括FRP型材模板、FRP剪力键、界面树脂层和混凝土；FRP剪力键设置于FRP型材模板表面；混凝土直接浇筑于FRP型材模板表面；FRP剪力键、FRP型材模板表面与现浇混凝土之间设有界面树脂层；

所述界面树脂层为湿粘结树脂；

具体施工时，首先须在FRP型材模板表面包括剪力键表面布设湿粘结树脂，在树脂开始发粘但尚未固化的时间段内，将混凝土浇筑于FRP型材模板表面；待树脂完成固化反应且混凝土达到设计强度后方可承重受力；新型组合结构的组合界面处依靠剪力键提供的机械咬合力和湿粘结树脂提供的粘结力共同承担界面剪力。

所述采用新型组合界面的FRP型材—混凝土组合结构中，所述湿粘结树脂为环氧树脂或乙烯基树脂，湿粘结树脂须选用在潮湿环境中仍然能够固化的树脂，树脂固化后的抗拉强度须达到30MPa以上；界面树脂层即湿粘结树脂层厚度宜为1~2mm。

所述采用新型组合界面的FRP型材—混凝土组合结构中，FRP剪力键的形状为槽形、工字形或L形；FRP剪力键在FRP型材模板表面宜呈点式均匀间隔分布，单个剪力键的长度方向沿着垂直于剪切力的方向布置。当构件的剪跨区段内有较大的集中荷载时，可将连接件的个数按剪力图面积比例分配后再在各个剪跨段内各自均匀布置。

所述采用新型组合界面的FRP型材—混凝土组合结构中，FRP剪力键可在FRP型材模板表面布设剪力键用纤维增强材料后，采用真空导入工艺浸润树脂基体，实现一体化成型；或采用由拉挤成型的FRP槽形型材、FRP工字钢型材、FRP角钢型材切割成段制作成相应形状的FRP剪力键，然后用环氧树脂将其粘结于FRP型材模板表面。

所述采用新型组合界面的FRP型材—混凝土组合结构，其特征在于，所述FRP型材的纤维增强材料为GFRP（玻璃纤维）、BFRP（玄武岩纤维）、CFRP（碳纤维）或者以上纤维材料的混杂纤维材料。

所述采用新型组合界面的FRP型材—混凝土组合结构中；FRP型材模板上所设置剪力键数量和剪力键的间距根据界面处所需要达到的抗剪切承载力设计值计算得到，剪力键数量的具体计算方法如下：

（1）根据下述公式计算出新型组合界面的FRP型材—混凝土组合结构中FRP型材与混凝土纯湿粘结界面的承载力F ₁；所述纯湿粘结界面为FRP型材模板与混凝土之间仅依靠湿粘结树脂提供粘结力；

；

式中：φ为折减系数，建议取0.6；l为构件的跨度；l _c为FRP板-混凝土湿粘结界面计算长度；G _wb、F _wb分别为FRP型材模板与混凝土纯湿粘结界面单面拉伸剪切试件的承载力和界面断裂能；b _f、b _c分别为FRP型材模板的宽度和混凝土构件的截面宽度；A _f为FRP型材的横截面有效面积； E _f为FRP型材的弹性模量；β _w是FRP型材模板与混凝土界面粘结强度的相对宽度影响系数；f _t为混凝土抗拉强度；l _e为湿粘结界面的有效粘结长度；

（2）按照新型组合界面的FRP型材—混凝土组合结构中湿粘结树脂所能提供的粘结结合力大于混凝土与FRP型材模板之间总拉力的原则设计剪力键数目，具体计算公式如下：

；

式中：τ_sk ^d为剪力键强度设计值；k为纯剪力键界面的粘结滑移曲线的斜率，S _max为纯剪力键界面的最大滑移量；

根据要求，可得：

；

式中：n为剪力键数量；F ₁为步骤（1）中湿粘结界面的承载力计算值；b _sk、l _sk分别为单个剪力键宽度和长度；ε _fu为混凝土与FRP型材模板组合界面间FRP型材模板纵向受拉纤维极限应变设计值；其中ε _fu值由FRP型材模板或剪力键材料本身决定，可通过预先检测获得。

一般而言，FRP型材—混凝土组合结构中剪力键设置时宜间隔分布，分布间距以剪力键与FRP型材模板接触面的形心位置间的距离计算，分布间距可在150~400mm区间内取值，在满足承载力限制条件的情况下宜优先选用较大的分布间距，且宜符合50mm的模数。

所述采用新型组合界面的FRP型材—混凝土组合结构的制备方法，包括以下步骤：

（1）在FRP型材模板表面布设纤维材料后，采用真空导入工艺一体化成型FRP剪力键；或采用由FRP槽形型材、FRP工字钢型材、FRP角钢型材切割成段制成相应形状的FRP剪力键，然后用环氧树脂将其粘结于FRP型材模板表面。

（2）将带有FRP剪力键的FRP型材模板铺设就位；

（3）在FRP型材模板及FRP剪力键的上表面均匀涂覆树脂材料形成界面树脂层；界面树脂层即树脂材料厚度为1~2mm；

（4）在树脂材料开始发粘但尚未完全固化之前浇筑混凝土，养护成型即得新型组合界面的FRP型材—混凝土组合结构。

本发明的主要技术原理是：通过粘结树脂的湿粘结方式来提高FRP型材与混凝土之间的粘结力；通过设置FRP剪力键来提高FRP型材模板与混凝土之间的机械咬合力；利用这种湿粘结树脂的粘结力和FRP剪力键与混凝土之间的机械咬合力使FRP型材与混凝土界面之间实现可靠的连接，从而使FRP型材与混凝土共同协同受力，这种连接方式可以大大提高FRP型材—混凝土组合界面的抗剪切承载力。

本发明所提供的采用新型组合界面的FRP型材—混凝土组合结构，制备过程简便，易操作，同时具有较强的可设计性、结合了现有的湿粘结和钢螺栓剪力键的技术优点，技术效果突出。

与现有其他界面方式的FRP型材—混凝土组合结构相比，本发明的技术优势较为具体的体现在：

1、与纯湿粘结界面相比，组合界面处FRP剪力键的设置可以大大提高FRP型材—混凝土组合界面的抗剪切承载能力。

2、与纯钢螺栓剪力键界面相比，湿粘结技术的引入也可以明显提高界面的承载能力，能够减小使用阶段FRP型材与混凝土组合界面处的滑移量；避免了在FRP型材模板上打孔、同时使用FRP剪力键还使得结构具有较高的耐久性能，避免了采用钢剪力键所面临的钢材锈蚀的问题。

3、本发明所提供的FRP型材—混凝土组合新结构，施工简单、高效、方便、可靠，剪力键布置灵活，利用本发明所提供的FRP型材—混凝土组合新结构可以建造安全可靠的FRP型材—混凝土组合梁、FRP型材—混凝土组合板以及FRP管/型材材—混凝土组合柱，从而大大提高现有桥梁结构的耐久性能。

综上，新型组合界面可以较为有效的克服现有的FRP型材与混凝土之间易剥离脱落、钢剪力键易生锈且对FRP型材打孔易造成FRP型材损坏的技术缺陷，有利于FRP型材—混凝土组合材料的推广应用。

附图说明

图1为浇筑混凝土前本发明所提供的采用新型组合界面的FRP型材—混凝土组合结构中湿粘结树脂、FRP剪力键设置结构示意图；

图2为浇筑混凝土后本发明所提供的采用新型组合界面的FRP型材—混凝土组合结构示意图；

图3为现有技术的采用钢螺栓剪力键的组合界面结构示意图；

图4为实施例1、对照例1和对照例3中所提供的FRP型材—混凝土组合结构双面剪切试件在万能试验机拉伸荷载下的实测承载力-滑移曲线。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的解释说明。

实施例1

如图1、图2所示，本发明所提供的采用新型组合界面的FRP型材—混凝土组合结构，包括FRP型材模板1、FRP剪力键2、界面树脂层3和混凝土4；FRP剪力键2设置于FRP型材模板1表面；混凝土4直接浇筑于FRP型材模板1表面，这种方式可节省传统混凝土浇筑时所需要的传统模板；FRP剪力键2、FRP型材模板1表面与混凝土4之间设有界面树脂层3，由界面树脂层3提供粘结力。

所述界面树脂层3为湿粘结树脂。

具体施工时，首先须在FRP型材模板1表面包括剪力键2表面布设湿粘结树脂，在树脂开始发粘但尚未固化的时间段内，将混凝土4浇筑于FRP型材模板1表面；待树脂完成固化反应且混凝土达到设计强度后方可承重受力；新型组合结构的组合界面处依靠剪力键提供的机械咬合力和湿粘结树脂提供的粘结力共同承担界面剪力。

所述湿粘结树脂为环氧树脂或乙烯基树脂，湿粘结树脂应选用在潮湿环境中仍然能够固化的树脂；树脂固化后的抗拉强度须达到30MPa以上，界面树脂层即湿粘结树脂层厚度宜为1~2mm。

所述FRP剪力键2为槽形、工字形或L形；FRP剪力键2在FRP型材模板1表面点式均匀间隔分布，单个剪力键的长度方向沿着垂直于剪切力的方向布置。

FRP剪力键2可在FRP型材模板表面1布设剪力键用纤维增强材料后，采用真空导入工艺浸润树脂基体，实现一体化成型；或采用由拉挤成型的FRP槽形型材、FRP工字钢型材、FRP角钢型材切割成段制作相应形状的FRP剪力键，然后用环氧树脂将其粘结于FRP型材模板表面。

采用新型组合界面的FRP型材—混凝土组合结构的制备方法，包括以下步骤：

（1）将设有FRP剪力键2的FRP型材模板1铺设就位；

（2）在FRP型材模板1及FRP剪力键2表面均匀涂覆树脂材料3；模板上的涂刷的树脂层厚度宜为1~2mm；

（3）在树脂材料3开始发粘但尚未完全固化之前浇筑混凝土4，养护成型即得新型组合界面的FRP型材—混凝土组合结构。

具体本实施例而言，为检验本发明所提供新型组合界面的FRP型材—混凝土组合结构受力性能，发明人制备了FRP型材—混凝土拉伸双面剪切试件。制备步骤如下：

（1）采用拉挤成型工艺制作的BFRP板材作为FRP型材模板，并将其用于制作FRP型材—混凝土组合构件；

（2）将GFRP槽钢切割成段制成槽形FRP剪力键；然后GFRP剪力键采用环氧树脂粘贴到BFRP板上，待其达到粘结强度后，将设有GFRP剪力键的BFRP板材紧贴着钢模的两个侧面立放；

（3）在BFRP板及GFRP剪力键表面涂覆湿粘结树脂材料，湿粘结树脂须选用在潮湿环境中仍然能够固化的环氧树脂；

（4）在钢模中放置预埋螺杆，预埋螺杆主要是为了方便后续性能检测而使用，然后在树脂材料开始发粘但尚未完全固化干结之前浇筑混凝土，养护成型即得FRP型材—混凝土新型组合界面的拉伸双面剪切试件。

在实施例1中的双面剪切试件中，FRP型材模板即BFRP板材为南京建辉复合材料有限公司采用拉挤成型工艺制备的，规格为长×宽×厚=480mm×50mm×1.5mm。检测数据：BFRP板的弹模为39.5GPa，拉伸强度为1049MPa。

湿粘结树脂为上海三悠树脂有限公司生产的L-500系列环氧树脂（以下简称树脂A）。树脂A的实测抗拉强度为40Mpa。

FRP剪力键由拉挤成型的GFRP槽形型材切割成段制作而成，槽型型材的截面尺寸（翼缘宽度×翼缘厚度×腹板高度×腹板厚度）为15mm×2mm×50mm×2mm。GFRP槽钢为南京建辉复合材料有限公司生产。

剪力键其与FRP型材模板即BFRP板材之间采用树脂A粘结，因此GFRP剪力键与BFRP板的粘结面积为50mm×50mm。GFRP剪力键与BFRP板接触面的形心位置距离双面剪切试件的加载端为80mm。

混凝土为C40级混凝土，采用南京市大地建设集团配置的商品混凝土。对混凝土进行性能测试，混凝土强度的测试方法参考《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB T50081-2002），实测28天混凝土立方体抗压强度为40.9MPa。

FRP板-混凝土双面剪切试件的尺寸和测试方法参照美国ACI440r-07规范。所制备的双面剪切试件包括两个混凝土棱柱体，中间用木块隔开，棱柱体中的预埋螺杆在木块处断开。双面剪切试件均采用钢模制作。双面剪切试件长×宽×高为500 mm×100 mm×100mm，中心部位带有隔离木块的棱柱体试件，隔离木块的作用是隔离上下部位混凝土块。在双剪试件中的每个混凝土棱柱体上，长度为225mm的FRP板与混凝土的粘结段上仅设置一个GFRP剪力键。

对照例1~3

为更好的体现本发明所提供的新型组合界面的技术效果，发明人做了进一步的对比实验。

对照例所制备的双面剪切试件与实施例1所制备的双面剪切试件规格一致，所用的混凝土、湿粘结树脂、FRP板材等与实施例1均一致，仅在制备过程中的施工程序有部分差别，具体介绍如下。

对照例1、对照例2所制备的双面剪切试件与实施例1所制备的双面剪切试件主要差别在于缺少FRP剪力键的设置，即FRP型材模板与混凝土材料之间仅由湿粘结树脂粘结。对照例1与对照例2的主要差别在于两者所采用的湿粘结树脂不同，对照例1树脂为树脂A；对照例2所采用树脂为德国西卡公司生产的SIKA系列环氧树脂，以下简称树脂B。树脂B的实测抗拉强度为36.1Mpa。

对照例3为采用钢螺栓剪力键的组合界面，如图3所示，以带有钢板的钢螺栓剪力键5替代实施例1中的FRP剪力键，带有钢板的钢螺栓剪力键5与FRP型材模板间由湿粘结树脂粘结。

发明人对实施例1及对照例1~3所制备的双面剪切试件进行了进一步的机械性能测试，具体介绍如下。

双面剪切试件的尺寸和测试方法参照美国ACI440r-07规范。

拉伸双剪切试验在万能试验机（生产厂家：新三思材料检测有限公司，型号：CMT5105）上进行。将预埋螺栓杆加持在万能试验机上，对试件两端进行缓慢张拉（张拉速度按位移控制，0.2mm/min），并在两混凝土棱柱体之间布置变形计，以测试其间的相对位移，具体检测结果如图4和下表所示。

从图4和上表的实测数据分析可以看出，本发明所提供的新型组合界面的FRP型材—混凝土组合结构中，当FRP型材与混凝土间的相对滑移量较小时，湿粘结界面提供的粘结力起主导作用；当相对滑移量较大时，FRP剪力键则开始发挥主导作用；由于湿粘结和FRP剪力键共同承担界面上的剪力，且能够起到较好的协调统一作用，因而可有效提高组合界面的极限承载力和滑移量。

实施例2~3

本实施例利用实施例1所述新型组合界面的FRP型材—混凝土组合结构制备了FRP型材—混凝土梁结构，具体情况介绍如下。

实施例2、实施例3以实施例1所述新型组合界面的FRP型材—混凝土组合结构制备了FRP型材—混凝土T形组合梁试件。制备方法同实施例1，所制备的T形组合梁试件具体规格为：T形组合梁梁长为3.2m，净跨为3.0m，T形梁底部受拉区配有220mm的HRB335级钢筋。T形截面尺寸为450mm×380mm×150 mm×80 mm（上翼缘宽度×截面高度×腹板宽度×上翼缘厚度）。本实施例的FRP型材模板采用真空导入工艺制作而成。U形BFRP型材成型时，模板底部沿梁长铺设单向玄武岩纤维布，主要承受拉力，纤维层数见下表；侧面纤维铺层为垂直于梁跨度方向铺设单向玄武岩纤维布，主要承受剪力。玄武岩纤维布采用横店集团玄武岩纤维有限公司提供的CBF13-4000Tex玄武岩纤维单向布。

本实施例所用混凝土同实施例1中所采用原料规格，湿粘结树脂采用实施例1中的树脂A。

实施例2与实施例3主要差别在于所采用剪力键规格和剪力键排布有所不同。FRP剪力键为槽形，采用GFRP槽形型材切割成段制作而成，规格分为50mm×100mm×15mm（实施例2）和100mm×100mm×15mm（实施例3）两种，FRP剪力键沿梁长横向均匀间隔布置，形心位置的间距详见下表。

实施例2中剪力键数量及分布间距的具体计算方法如下：

（1）根据下述公式计算出新型组合界面中FRP型材—混凝土T形组合梁试件中FRP型材与混凝土纯湿粘结界面的承载力F ₁，具体计算如下：

；

式中φ为折减系数，取0.6；l _e为湿粘结界面的有效粘结长度，实测湿粘结界面有效粘结长度l _e=144mm；单个剪力键与模板的接触面积为50mm×100mm；实施例2中梁的计算跨度为3000mm；l _c为FRP板-混凝土湿粘结界面计算长度；b _f、b _c分别为FRP型材模板的宽度和混凝土构件的截面宽度；β _w是FRP型材模板与混凝土界面粘结强度的相对宽度影响系数；G _wb、F _wb分别为FRP型材模板与混凝土纯湿粘结界面单面拉伸剪切试件的承载力和界面断裂能；A _f为FRP型材模板的横截面有效面积，（此例中的U形FRP型材模板侧板的纤维铺层中只有横向铺层的单向BFRP布，因此，计算面积时仅计算FRP型材底板的面积；A _f =150×1.55=232mm²）； E _f为FRP型材的弹性模量；f _t为混凝土抗拉强度，实测f _t=3.0MPa；

（2）按照新型组合界面的FRP型材—混凝土梁结构中湿粘结树脂所能提供的粘结结合力大于混凝土与FRP型材模板之间总拉力的原则设计剪力键数目，具体计算公式如下，

；

根据要求，可得：

；

式中：k为纯剪力键界面的粘结滑移曲线的初始斜率，根据本例中的剪力键形式，检测后取值为8.99，S _max为纯剪力键界面的最大滑移量，本例检测后取值为0.45mm；

n为计算所需剪力键数量；F ₁为步骤（1）中湿粘结界面的承载力计算值；τ_sk ^d为剪力键强度设计值；b _sk、l _sk分别为单个剪力键设计宽度和长度，本例中b _sk=100mm，l _sk=50mm；ε _fu为混凝土与FRP型材模板组合界面间FRP型材模板纵向受拉纤维极限应变设计值；其中ε _fu值由FRP型材模板或剪力键材料本身决定，可通过预先检测获得，实测铺设4层BFRP布的BFRP板材极限应变ε _fu =0.027；L _cr,sk为剪力键形心的间距，l为梁的计算跨度3000mm。

为符合50mm的模数要求，根据上述计算结果，取剪力键的分布间距为150mm。

实施例3中剪力键数量及分布间距的具体计算方法如下：

（1）根据下述公式计算出新型组合界面中FRP型材—混凝土T形组合梁试件中FRP型材与混凝土湿粘结界面的承载力F ₁，具体计算如下：

；

式中φ为折减系数，取0.6；l _e为湿粘结界面的有效粘结长度，实测湿粘结界面有效粘结长度l _e=144mm；单个剪力键与模板的接触面积为100mm×100mm；实施例2中梁跨度l为3000mm；l _c为FRP板-混凝土湿粘结界面计算长度；b _f、b _c分别为FRP型材模板的宽度和混凝土构件的截面宽度；β _w是FRP型材模板与混凝土界面粘结强度的相对宽度影响系数；G _wb、F _wb分别为FRP型材模板与混凝土纯湿粘结界面单面拉伸剪切试件的承载力和界面断裂能；A _f为FRP型材模板的横截面有效面积（此例中的U形FRP型材模板侧板的纤维铺层中只有横向铺层的单向BFRP布，因此，计算面积时仅计算FRP型材底板的面积；A _f=150×1.55=582mm²）； E _f为FRP型材的弹性模量； f _t为混凝土抗拉强度，实测f _t=3.0Mpa。

；

根据要求，可得：

；

式中：k为纯剪力键界面的粘结滑移曲线的初始斜率，对于本例中的剪力键形式，实测取值为8.99，S _max为纯剪力键界面的最大滑移量，本例实测取值为0.45mm；

n为计算所需剪力键数量；F ₁为步骤（1）中湿粘结界面的承载力计算值；τ_sk ^d为剪力键强度设计值；b _sk、l _sk分别为单个剪力键设计宽度和长度，本例中b _sk =100mm，l _sk=100mm；ε _fu为混凝土与FRP型材模板组合界面间FRP型材模板纵向受拉纤维极限应变设计值，由FRP型材模板或剪力键材料本身决定，可通过预先检测获得，本例中U形BFRP型材的底层纤维铺层为10层BFRP单向布，实测铺设10层BFRP布的BFRP板材极限应变ε _fu =0.018；L _cr,sk

为剪力键形心的间距。

为符合50mm的模数要求，根据上述计算结果，取剪力键的分布间距为200mm。

对照例4~7

为检验实施例2、实施例3所制备的组合梁试件的静力性能，发明人进一步设置了对照例，具体介绍如下。

对照例4~7制备了FRP型材—混凝土T形梁组合试件，与实施例2、实施例3的T形梁组合试件主要差别在于缺少剪力键的设置。对照例4~6之间的差别主要在于纤维层数的设置有所差异，对照例7与对照例4~6的主要差别在于U形型材底部纤维层数和梁规格的差异，具体介绍如下。

对照例4~7所制备的T形梁组合试件的具体规格为：T形梁梁长为2m，净跨为1.8m；T形梁底部中配有216mm的HRB335级受拉钢筋；T形截面尺寸为415×260×115×60（上翼缘宽度×截面高度×腹板宽度×上翼缘厚度）。对照例4~7中FRP型材模板采用U形BFRP型材。U形BFRP型材模板采用真空导入工艺制作而成。型材成型时，模板底部沿梁长铺设纵向的单向玄武岩纤维布，主要承受拉力，底部纵向纤维层数见下表；侧面纤维铺层为垂直于梁跨度方向铺设单向玄武岩纤维布，主要承受剪力。玄武岩纤维布采用横店集团玄武岩纤维有限公司提供的CBF13-4000Tex玄武岩纤维单向布。

本例中混凝土所采用原料规格同实施例1，湿粘结树脂采用实施例1中的树脂A。

实施例2、实施例3及对照例4~7的T形组合梁试件静力性能试验的试验参数和检验结果如下表所示。

注：1C3B代表1层CFRP布和3层BFRP布的混杂纤维铺层，其余类推；4B代表4层BFRP纤维布的铺层，其余类推。

从上表可以看出，采用纯湿粘结界面的FRP型材—混凝土组合梁（对照例4~7）破坏模式均为U形FRP型材局部出现空鼓，随后FRP拉断；而采用新型组合界面的FRP型材—混凝土组合梁（实施例2~3）破坏模式为FRP拉断。说明采用新型组合界面取得了有益的效果，解决了工程中FRP型材与混凝土共同工作的难题。

实施例4~5

实施例4~5的主要目的是检测采用新型组合界面的FRP型材-混凝土组合梁的疲劳性能以及新型组合界面的疲劳性能。

所制备的FRP型材—混凝土T形梁组合试件具体规格为：梁长为3.2m，净跨为3.0m；T形截面尺寸为450mm×380 mm×150 mm×80 mm（上翼缘宽度×截面高度×腹板宽度×上翼缘厚度）；T形梁底部中配有220mm的HRB335级受拉钢筋。实施例4~5制备的FRP型材—混凝土T形梁组合试件同实施例2~3的截面形式，所采用的FRP型材模板为U形FRP型材，实施例4与实施例5的不同之处在于两者采用的型材底部纤维铺层不同。FRP型材模板底部沿梁长铺设单向纤维布，主要承受拉力。底部铺设的纤维材料和层数见下表；侧面BFRP方向为垂直于梁跨度方向铺设单向布，主要承受剪力。

实施例4~5 FRP剪力键为槽形，采用GFRP槽形型材切割成段制作而成，规格分为50mm×100mm×15mm（实施例4）和100mm×100mm×15mm（实施例5）两种，FRP剪力键沿梁长横向均匀间隔布置，形心位置的间距详见下表。混凝土同实施例1中所采用原料规格，湿粘结树脂采用与实施例1相同的树脂A。

注：1C3B代表1层CFRP布和3层BFRP布的混杂纤维铺层，其余类推；4B代表4层BFRP纤维布的铺层，其余类推。4B+156SW_0.5为采用4层BFRP纤维布与156根0.5mm直径的高强钢丝的复合铺层。

对实施例4、实施例5所制备的T形组合梁试件的疲劳试验的测试结果见下表。

对上表进行分析可以看出，本实施例中采用新型组合界面的FRP型材—混凝土组合梁的疲劳受弯破坏模式均为底部受拉钢筋的拉断破坏。且随着底部FRP材料抗拉刚度的增加，组合梁的疲劳寿命迅速增加。说明采用新型组合界面的FRP型材—混凝土组合梁具有较好的界面疲劳性能，新型结构将具有广阔的应用前景。

本发明采用拉挤成型FRP型材制作剪力键，与现有的钢螺栓剪力键界面相比，更有利于提高组合结构的耐久性；同时可以减少在FRP型材面板上打孔，避免对型材造成削弱。从上表具体检测数据可以看出，相同规格和测试条件下，本发明所提供的FRP板-混凝土组合新结构与单纯的剪力键界面或纯湿粘结界面相比，新型组合结构的抗剪切承载力有较大的提高，技术效果突出，而且较好的实现了“一加一大于二”的技术效果，因而具有较好的推广应用价值。

Claims

1.一种采用新型组合界面的FRP型材—混凝土组合结构，其特征在于，该结构包括FRP型材模板、FRP剪力键、界面树脂层和混凝土；FRP剪力键设置于FRP型材模板表面；混凝土直接浇筑于FRP型材模板表面；FRP剪力键、FRP型材模板表面与混凝土之间设有界面树脂层；所述界面树脂层为湿粘结树脂。

2.如权利要求1所述采用新型组合界面的FRP型材—混凝土组合结构，其特征在于，所述湿粘结树脂为环氧树脂或乙烯基树脂；界面树脂层厚度为1~2mm。

3.如权利要求1所述采用新型组合界面的FRP型材—混凝土组合结构，其特征在于，所述FRP剪力键为槽形、工字形或L形；在剪跨区段内，FRP剪力键在FRP型材模板表面点式均匀间隔分布，单个剪力键的长度方向沿着垂直于剪切力的方向布置。

4.如权利要求3所述采用新型组合界面的FRP型材—混凝土组合结构，其特征在于，FRP剪力键在FRP型材模板表面一体化成型；或采用由FRP槽形型材、FRP工字钢型材、FRP角钢型材切割成段制作成相应形状的FRP剪力键，然后用环氧树脂将其粘结于FRP型材模板表面。

5.如权利要求1所述采用新型组合界面的FRP型材—混凝土组合结构，其特征在于，所述FRP型材模板、FRP剪力键所用材质为GFRP、BFRP或CFRP。

6.如权利要求1所述采用新型组合界面的FRP型材—混凝土组合结构，其特征在于，所述FRP型材—混凝土组合结构中，FRP型材模板上所设置剪力键数量和剪力键的间距根据所需要达到的抗剪切承载力设计值计算得到，剪力键数量的具体计算方法如下：

（1）根据下述公式计算出新型组合界面的FRP型材—混凝土组合结构中FRP型材与混凝土纯湿粘结界面的承载力F ₁；所述纯湿粘结界面为FRP型材模板与混凝土间仅依靠湿粘结树脂提供粘结力；

；

式中：φ为折减系数，取0.6；l为构件的跨度；l _c为FRP板-混凝土湿粘结界面计算长度；G _wb、F _wb分别为FRP型材模板与混凝土纯湿粘结界面单面拉伸剪切试件的承载力和界面断裂能；b _f、b _c分别为FRP型材模板的宽度和混凝土构件的截面宽度；A _f为FRP型材的横截面有效面积； E _f为FRP型材的弹性模量；β _w是FRP型材模板与混凝土界面粘结强度的相对宽度影响系数；f _t为混凝土抗拉强度；l _e为湿粘结界面的有效粘结长度；

；

根据要求，可得：

；

式中：n为剪力键数量；F ₁为步骤（1）中湿粘结界面的承载力计算值； b _sk、l _sk分别为单个剪力键宽度和长度；ε _fu为混凝土与FRP型材模板组合界面间FRP型材模板纵向受拉纤维极限应变设计值；其中ε _fu值由FRP型材模板或剪力键材料本身决定，可通过预先检测获得。

7.如权利要求6所述采用新型组合界面的FRP型材—混凝土组合结构，其特征在于，所述FRP型材—混凝土组合结构中，以剪力键与FRP型材模板接触面的中心计算，分布间距为150~400mm。

8.如权利要求7所述采用新型组合界面的FRP型材—混凝土组合结构，其特征在于，剪力键分布间距为50mm的模数。