GFRP筋力學(xué)性能多維度試驗(yàn)研究與分析一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代工程建設(shè)領(lǐng)域，傳統(tǒng)鋼筋作為混凝土結(jié)構(gòu)中廣泛應(yīng)用的增強(qiáng)材料，雖具備一定的強(qiáng)度和韌性，但其在耐久性方面存在的缺陷，如易受腐蝕、生銹等問題，嚴(yán)重影響了混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命和安全性，特別是在惡劣的環(huán)境條件下，如海洋、化工、潮濕等環(huán)境中，鋼筋的銹蝕問題尤為突出，這不僅導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的維護(hù)成本大幅增加，還可能引發(fā)安全隱患。隨著材料科學(xué)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（GlassFiberReinforcedPolymer，簡稱GFRP）筋作為一種新型材料應(yīng)運(yùn)而生。GFRP筋由玻璃纖維和樹脂基體復(fù)合而成，具有諸多優(yōu)異的性能特點(diǎn)。其比強(qiáng)度高，強(qiáng)度可達(dá)到同等直徑螺紋鋼筋的2倍，卻僅有鋼筋質(zhì)量的1/4，這使得在一些對結(jié)構(gòu)自重有嚴(yán)格要求的工程中，如大跨度橋梁、高層建筑等，GFRP筋能夠有效減輕結(jié)構(gòu)自重，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能和承載能力。在耐腐蝕性方面，GFRP筋對酸、堿、鹽等腐蝕性介質(zhì)具有較強(qiáng)的耐受性，可在橋梁、隧道、碼頭、水利工程等潮濕或其他特殊環(huán)境中長期穩(wěn)定使用，從根本上解決了因鋼筋銹蝕導(dǎo)致結(jié)構(gòu)耐久性降低的問題，顯著延長了結(jié)構(gòu)的使用壽命，降低了維護(hù)成本。同時(shí)，GFRP筋還具有非磁性、良好的彈性性能、成型和可設(shè)計(jì)性好等特點(diǎn)，其纖維朝向性好，與混凝土的粘結(jié)性強(qiáng)，能夠更好地將混凝土的受力傳遞給筋材，可通過改變纖維含量、原料配合比例、鋪陳方向、鋪層次序和層數(shù)等相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)生產(chǎn)出不同性能的產(chǎn)品，以滿足各種復(fù)雜工程的需求。鑒于GFRP筋這些突出的優(yōu)勢，在混凝土結(jié)構(gòu)中使用GFRP筋代替鋼筋，具有廣闊的應(yīng)用前景，能夠?yàn)楣こ探ㄔO(shè)帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，成為解決傳統(tǒng)鋼筋局限性的重要發(fā)展方向，對推動(dòng)建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。然而，GFRP筋作為一種新型復(fù)合材料，其力學(xué)性能具有一定的復(fù)雜性。由于GFRP筋是各向異性材料，僅在加強(qiáng)纖維方向具有高抗拉強(qiáng)度，與普通鋼筋的力學(xué)性能存在較大差異，這使得其在實(shí)際應(yīng)用中的設(shè)計(jì)理念和方法需要做出相應(yīng)改變。不同直徑、溫度、加載方式等因素，都會(huì)對GFRP筋的力學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響，而且目前關(guān)于GFRP筋的力學(xué)性能研究仍存在諸多不足，如不同研究所得的結(jié)論存在差異，對其受壓彈性模量和受拉彈性模量的大小關(guān)系尚未達(dá)成統(tǒng)一認(rèn)識，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散性較大等。這些問題嚴(yán)重制約了GFRP筋在工程中的大規(guī)模推廣應(yīng)用。因此，深入研究GFRP筋的力學(xué)性能，全面了解其在不同條件下的力學(xué)行為和性能變化規(guī)律，為其在工程中的應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支持，顯得尤為迫切和重要。通過系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，獲取GFRP筋在拉伸、壓縮、剪切等不同受力狀態(tài)下的力學(xué)性能指標(biāo)，分析各因素對其力學(xué)性能的影響機(jī)制，建立準(zhǔn)確可靠的力學(xué)性能模型，不僅有助于制定科學(xué)合理的設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，指導(dǎo)GFRP筋在實(shí)際工程中的合理應(yīng)用，還能促進(jìn)GFRP筋材料的進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)，推動(dòng)其在建筑、橋梁、交通、水利等眾多工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，為解決工程結(jié)構(gòu)的耐久性和可持續(xù)發(fā)展問題提供有效的技術(shù)手段。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（GFRP）筋作為一種新型的建筑材料，近年來在國內(nèi)外受到了廣泛的關(guān)注和研究。國內(nèi)外學(xué)者主要從GFRP筋的拉伸、壓縮、剪切等力學(xué)性能，以及不同因素對其力學(xué)性能的影響等方面展開研究。在拉伸性能研究方面，諸多學(xué)者針對不同直徑的GFRP筋開展試驗(yàn)。游超等人對4種不同直徑GFRP筋進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果表明試件的破壞模式為劈裂破壞，直徑對彈性模量的影響不大，但對極限抗壓強(qiáng)度和位移延性有較大影響，極限抗拉強(qiáng)度隨直徑的增大有所降低，位移延性隨直徑的增大而增大，應(yīng)力與應(yīng)變、位移之間表現(xiàn)出線性關(guān)系。也有學(xué)者研究了溫度對GFRP筋拉伸性能的影響，王曉璐對直徑為8mm的GFRP筋進(jìn)行高溫下的拉伸試驗(yàn)，獲得了10-500℃范圍內(nèi)隨著溫度升高GFRP筋的極限強(qiáng)度和彈性模量的衰減趨勢，發(fā)現(xiàn)GFRP筋的力學(xué)性能對環(huán)境溫度非常敏感，極限抗拉強(qiáng)度、抗拉初始彈性模量、屈服應(yīng)變和極限延伸率隨著環(huán)境溫度增加而下降，而抗拉屈服后彈性模量變化規(guī)律則相反。還有學(xué)者關(guān)注到GFRP筋的尺寸效應(yīng)，通過對不同直徑GFRP筋的試驗(yàn)，指出GFRP筋力學(xué)性能具有明顯的尺寸效應(yīng)，采用最弱鏈理論進(jìn)行尺寸效應(yīng)分析是可行的。關(guān)于GFRP筋的壓縮性能，周繼凱等人設(shè)計(jì)了GFRP筋抗壓試驗(yàn)方案，研究了不同柔度GFRP筋的抗壓力學(xué)性能，結(jié)果表明GFRP筋的抗壓破壞可以劃分為強(qiáng)度破壞、非彈性失穩(wěn)破壞和彈性失穩(wěn)破壞3種，其極限抗壓強(qiáng)度小于極限抗拉強(qiáng)度，約為極限抗拉強(qiáng)度的55％，且抗壓彈性模量比抗拉彈性模量大。張新越通過試驗(yàn)表明受壓狀態(tài)下GFRP筋是纖維與樹脂分別彎曲發(fā)生破壞。有研究人員對直徑10mm的GFRP筋進(jìn)行抗壓性能研究，分析了長細(xì)比對筋材抗壓性能的影響，指出GFRP筋抗壓強(qiáng)度隨長細(xì)比增加而減少，破壞形態(tài)包括壓碎破壞、劈裂破壞和屈曲破壞。在剪切性能研究領(lǐng)域，謝芳設(shè)計(jì)制備了多種直徑和表面類型的GFRP筋試件，開展GFRP筋剪切性能試驗(yàn)研究，結(jié)果表明GFRP筋的剪切破壞呈典型的脆性形態(tài)，其抗剪強(qiáng)度隨直徑的增大而減小，且GFRP筋的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)大于其抗剪強(qiáng)度，抗剪強(qiáng)度由大到小的表面類型為噴砂、光圓、螺紋型。盡管國內(nèi)外在GFRP筋力學(xué)性能研究方面已取得一定成果，但仍存在一些不足與空白。不同研究所得的結(jié)論存在差異，如對受壓彈性模量和受拉彈性模量的大小關(guān)系尚未達(dá)成統(tǒng)一認(rèn)識；試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散性較大，這可能與試驗(yàn)方法、試件制作工藝、材料本身的不均勻性等多種因素有關(guān)；對于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下GFRP筋的力學(xué)性能研究還相對較少，而實(shí)際工程中GFRP筋往往處于復(fù)雜的受力環(huán)境；目前對GFRP筋長期力學(xué)性能的研究也不夠深入，缺乏長期性能的預(yù)測模型和相關(guān)數(shù)據(jù)支持。1.3研究內(nèi)容與方法本研究旨在全面深入地探究GFRP筋的力學(xué)性能，主要研究內(nèi)容如下：開展GFRP筋拉伸性能試驗(yàn)：準(zhǔn)備不同直徑的GFRP筋試件，在常溫環(huán)境下利用萬能材料試驗(yàn)機(jī)對其進(jìn)行拉伸加載，精確記錄荷載-位移、應(yīng)力-應(yīng)變等數(shù)據(jù)，直至試件被拉斷破壞，分析不同直徑GFRP筋的拉伸破壞模式，以及直徑因素對其極限抗拉強(qiáng)度、抗拉彈性模量、屈服應(yīng)變、極限延伸率等拉伸性能指標(biāo)的影響規(guī)律。同時(shí)，針對同一直徑的GFRP筋，制作多組試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，通過統(tǒng)計(jì)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究GFRP筋拉伸性能的離散性特征，深入分析離散性產(chǎn)生的原因，如試件制作工藝的差異、材料本身的不均勻性等。開展GFRP筋抗壓性能試驗(yàn)：設(shè)計(jì)不同長細(xì)比的GFRP筋抗壓試件，在加載過程中采用位移控制的方式，緩慢均勻地施加壓力，仔細(xì)觀察并記錄試件在受壓過程中的變形情況和破壞形態(tài)，獲取極限抗壓強(qiáng)度、抗壓彈性模量等關(guān)鍵抗壓性能參數(shù)，分析長細(xì)比對GFRP筋抗壓強(qiáng)度、破壞模式的影響機(jī)制。同時(shí)，將試驗(yàn)所得的抗壓性能數(shù)據(jù)與已有研究成果進(jìn)行對比分析，進(jìn)一步驗(yàn)證和完善GFRP筋抗壓性能的相關(guān)理論和結(jié)論。研究不同環(huán)境因素對GFRP筋力學(xué)性能的影響：模擬高溫、低溫、潮濕、化學(xué)腐蝕等多種惡劣環(huán)境條件，對GFRP筋試件進(jìn)行處理。在不同環(huán)境條件下，分別開展GFRP筋的拉伸和抗壓性能試驗(yàn)，對比分析不同環(huán)境因素作用前后GFRP筋力學(xué)性能的變化情況，研究溫度、濕度、化學(xué)介質(zhì)等環(huán)境因素對GFRP筋力學(xué)性能的影響規(guī)律，如高溫導(dǎo)致樹脂基體軟化，從而降低GFRP筋的強(qiáng)度和彈性模量；潮濕環(huán)境引發(fā)纖維與樹脂界面的脫粘，影響其力學(xué)性能等。通過微觀分析手段，如掃描電子顯微鏡觀察、能譜分析等，深入探究環(huán)境因素對GFRP筋微觀結(jié)構(gòu)的損傷機(jī)制，為GFRP筋在不同環(huán)境下的工程應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。建立GFRP筋力學(xué)性能模型：基于試驗(yàn)所得的大量數(shù)據(jù)，綜合考慮GFRP筋的材料組成、微觀結(jié)構(gòu)、受力狀態(tài)以及環(huán)境因素等影響因素，運(yùn)用數(shù)學(xué)和力學(xué)方法，建立能夠準(zhǔn)確描述GFRP筋力學(xué)性能的理論模型。通過與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比驗(yàn)證，不斷優(yōu)化和完善模型，確保模型的準(zhǔn)確性和可靠性，為GFRP筋在實(shí)際工程中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和力學(xué)性能預(yù)測提供有效的工具。在研究方法上，本研究采用實(shí)驗(yàn)研究和理論分析相結(jié)合的方式。在實(shí)驗(yàn)研究方面，嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行試件的設(shè)計(jì)、制作和試驗(yàn)操作，確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。對試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的各種現(xiàn)象和數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)記錄和分析，為理論研究提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在理論分析方面，運(yùn)用材料力學(xué)、彈性力學(xué)、損傷力學(xué)等相關(guān)理論，對GFRP筋的力學(xué)性能進(jìn)行深入分析。通過建立理論模型，揭示GFRP筋在不同受力狀態(tài)和環(huán)境條件下的力學(xué)行為本質(zhì)，為實(shí)驗(yàn)研究提供理論指導(dǎo)，使實(shí)驗(yàn)研究和理論分析相互補(bǔ)充、相互驗(yàn)證，從而全面深入地研究GFRP筋的力學(xué)性能。二、GFRP筋概述2.1GFRP筋的組成與結(jié)構(gòu)GFRP筋主要由玻璃纖維和樹脂基體兩部分組成。玻璃纖維作為增強(qiáng)相，是GFRP筋獲得高強(qiáng)度的關(guān)鍵。玻璃纖維由SiO?等無機(jī)氧化物組成，其直徑通常在10-20微米之間，長度則可達(dá)幾十厘米，具有良好的力學(xué)性能、耐熱性、電絕緣性和化學(xué)穩(wěn)定性。玻璃纖維的高強(qiáng)度特性源于其內(nèi)部原子的有序排列，使其能夠承受較大的拉力。在GFRP筋中，玻璃纖維通過合理的排列方式，如平行排列或交織排列，充分發(fā)揮其高強(qiáng)度優(yōu)勢，為GFRP筋提供主要的承載能力。樹脂基體則作為粘結(jié)劑，將玻璃纖維牢固地粘結(jié)在一起，使GFRP筋形成一個(gè)整體，同時(shí)起到傳遞載荷的作用。常見的樹脂基體包括環(huán)氧樹脂、聚酯樹脂、酚醛樹脂等。以環(huán)氧樹脂為例，它具有良好的粘結(jié)性能，能夠與玻璃纖維表面形成較強(qiáng)的化學(xué)鍵合，確保玻璃纖維與樹脂基體之間的界面結(jié)合牢固。環(huán)氧樹脂還具有優(yōu)異的耐腐蝕性和電絕緣性，能夠保護(hù)玻璃纖維免受外界環(huán)境的侵蝕，進(jìn)一步提高GFRP筋的耐久性和絕緣性能。聚酯樹脂成本相對較低，成型工藝簡單，在一些對成本較為敏感的應(yīng)用領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用；酚醛樹脂則具有良好的耐熱性和阻燃性，適用于對耐熱和防火性能要求較高的場合。從微觀結(jié)構(gòu)來看，GFRP筋是由大量的玻璃纖維均勻分布于樹脂基體之中形成的。玻璃纖維與樹脂基體之間的界面是兩者相互作用的區(qū)域，界面的質(zhì)量對GFRP筋的力學(xué)性能起著至關(guān)重要的作用。當(dāng)GFRP筋受到外力作用時(shí)，載荷首先由樹脂基體傳遞到玻璃纖維與樹脂基體的界面上，然后再通過界面?zhèn)鬟f到玻璃纖維上，由玻璃纖維承受主要的載荷。如果界面粘結(jié)力不足，在受力過程中，界面處容易出現(xiàn)脫粘現(xiàn)象，導(dǎo)致應(yīng)力無法有效傳遞至玻璃纖維內(nèi)部，使GFRP筋的承載能力降低，甚至提前發(fā)生破壞。因此，提高玻璃纖維與樹脂基體之間的界面粘結(jié)強(qiáng)度，優(yōu)化界面結(jié)構(gòu)，是提高GFRP筋力學(xué)性能的關(guān)鍵之一。在宏觀結(jié)構(gòu)上，GFRP筋通常被制成與傳統(tǒng)鋼筋相似的形狀，如圓形、螺紋形等，以滿足工程應(yīng)用中與混凝土協(xié)同工作的需求。螺紋形的GFRP筋通過表面的螺紋結(jié)構(gòu)，能夠增加與混凝土之間的機(jī)械咬合力，提高兩者之間的粘結(jié)性能，使GFRP筋與混凝土在受力時(shí)能夠更好地協(xié)同變形，共同承擔(dān)荷載。2.2GFRP筋的材料特性GFRP筋作為一種新型復(fù)合材料，具有諸多獨(dú)特的材料特性，這些特性使其在工程領(lǐng)域展現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢，同時(shí)也存在一些局限性。GFRP筋最突出的優(yōu)勢之一是輕質(zhì)高強(qiáng)。其密度通常在1.5-2.0g/cm3之間，約為普通鋼筋密度（7.85g/cm3）的1/4-1/5，這使得在運(yùn)輸和施工過程中，GFRP筋的搬運(yùn)更加便捷，能夠有效降低勞動(dòng)強(qiáng)度和運(yùn)輸成本。在強(qiáng)度方面，GFRP筋的抗拉強(qiáng)度卻可達(dá)到500-1500MPa，遠(yuǎn)高于普通鋼筋的抗拉強(qiáng)度（一般在400-600MPa），能夠在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，大大減輕結(jié)構(gòu)自重，尤其適用于對自重有嚴(yán)格要求的工程，如大跨度橋梁、高層建筑等。例如，在大跨度橋梁的建設(shè)中，使用GFRP筋代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼筋，可有效減輕橋梁自重，降低基礎(chǔ)工程的負(fù)荷，提高橋梁的跨越能力和穩(wěn)定性。在耐腐蝕性上，GFRP筋表現(xiàn)出色。由于其主要組成材料玻璃纖維和樹脂基體對酸、堿、鹽等腐蝕性介質(zhì)具有較強(qiáng)的耐受性，GFRP筋在惡劣的化學(xué)環(huán)境中不易發(fā)生腐蝕現(xiàn)象。與普通鋼筋在潮濕、海洋等環(huán)境中容易生銹，導(dǎo)致強(qiáng)度降低、結(jié)構(gòu)耐久性下降不同，GFRP筋可在這些環(huán)境中長期穩(wěn)定使用，從根本上解決了因鋼筋銹蝕導(dǎo)致結(jié)構(gòu)耐久性降低的問題，顯著延長了結(jié)構(gòu)的使用壽命，降低了維護(hù)成本。在海洋工程中，如海上橋梁、海洋平臺等，GFRP筋能夠抵御海水的侵蝕，確保結(jié)構(gòu)在長期使用過程中的安全性和可靠性。GFRP筋還具有非磁性的特性，這使其在一些對電磁環(huán)境有嚴(yán)格要求的場合，如醫(yī)療設(shè)備室、數(shù)據(jù)中心、變電站等，具有獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值。在這些場所，使用GFRP筋作為建筑材料，不會(huì)對周圍的電磁設(shè)備產(chǎn)生干擾，保證了設(shè)備的正常運(yùn)行。例如，在醫(yī)療設(shè)備室中，若使用普通鋼筋，可能會(huì)影響磁共振成像（MRI）等精密醫(yī)療設(shè)備的準(zhǔn)確性，而GFRP筋則不會(huì)出現(xiàn)這種問題。此外，GFRP筋具有良好的彈性性能，在受力時(shí)能夠產(chǎn)生一定的彈性變形，吸收能量，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。其成型和可設(shè)計(jì)性好，可通過改變纖維含量、原料配合比例、鋪陳方向、鋪層次序和層數(shù)等相關(guān)參數(shù)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)出不同性能的產(chǎn)品，以滿足各種復(fù)雜工程的需求。在一些異形建筑結(jié)構(gòu)中，可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求，定制特殊形狀和性能的GFRP筋，實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。然而，GFRP筋也存在一些局限性。其中較為突出的是其彈性模量較低，一般在30-80GPa之間，約為普通鋼筋彈性模量（200GPa）的1/3-2/5。這意味著在相同受力條件下，GFRP筋的變形較大，在一些對變形要求嚴(yán)格的工程中，可能需要采取額外的措施來控制變形。例如，在高層建筑的框架結(jié)構(gòu)中，若使用GFRP筋作為主要受力筋，可能需要增加配筋量或采取其他構(gòu)造措施，以確保結(jié)構(gòu)在正常使用荷載下的變形滿足規(guī)范要求。GFRP筋的抗剪強(qiáng)度相對較低，其破壞模式通常呈脆性，缺乏明顯的屈服階段，在使用過程中需要特別注意其抗剪性能的設(shè)計(jì)和驗(yàn)算，以防止結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性破壞。三、試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)3.1試驗(yàn)材料準(zhǔn)備本試驗(yàn)選用的GFRP筋由南京奧沃科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)，為全螺紋玻璃纖維增強(qiáng)塑料筋。選用了直徑為8mm、10mm、12mm、14mm、16mm的GFRP筋，每種直徑的GFRP筋各準(zhǔn)備20根，以滿足不同試驗(yàn)條件下的樣本需求，確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性和統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。這些不同直徑的GFRP筋涵蓋了常見的工程應(yīng)用規(guī)格，有助于全面研究直徑因素對GFRP筋力學(xué)性能的影響。在材料成分方面，GFRP筋中的玻璃纖維含量為75%，樹脂含量為25%。玻璃纖維作為主要的增強(qiáng)材料，為GFRP筋提供了高強(qiáng)度和高模量的特性；樹脂則起到粘結(jié)玻璃纖維、傳遞載荷以及保護(hù)玻璃纖維免受外界環(huán)境侵蝕的作用。這種成分比例經(jīng)過生產(chǎn)廠家的優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠使GFRP筋在保證強(qiáng)度的同時(shí)，具備良好的加工性能和耐久性。除了GFRP筋本身，試驗(yàn)還準(zhǔn)備了一些輔助材料。為了在試驗(yàn)過程中準(zhǔn)確測量GFRP筋的應(yīng)變，采用了電阻應(yīng)變片，其規(guī)格為3mm×10mm，靈敏系數(shù)為2.0±0.01，這種應(yīng)變片具有精度高、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，能夠滿足試驗(yàn)對測量精度的要求。在粘貼應(yīng)變片時(shí)，使用了502膠水作為粘結(jié)劑，502膠水具有固化速度快、粘結(jié)強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，能夠確保應(yīng)變片與GFRP筋緊密貼合，準(zhǔn)確傳遞應(yīng)變信號。同時(shí)，為了防止應(yīng)變片在試驗(yàn)過程中受到損壞，還準(zhǔn)備了防護(hù)漆對其進(jìn)行保護(hù)，防護(hù)漆能夠有效隔絕外界環(huán)境的影響，確保應(yīng)變片的正常工作。3.2試件制作拉伸試件：拉伸試件的設(shè)計(jì)依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，同時(shí)考慮到試驗(yàn)設(shè)備的能力以及數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。采用標(biāo)準(zhǔn)的啞鈴形試件形狀，這種形狀能夠使試件在拉伸過程中應(yīng)力集中在中間的狹窄部位，確保破壞發(fā)生在該區(qū)域，從而準(zhǔn)確獲取GFRP筋的拉伸性能參數(shù)。試件總長度設(shè)定為300mm，這一長度既能保證在試驗(yàn)機(jī)上的有效夾持，又能減少因試件過長而可能產(chǎn)生的自重影響。中間狹窄部分的長度為100mm，該長度能夠充分反映GFRP筋在均勻受力狀態(tài)下的拉伸性能。寬度為20mm，這一寬度在保證試件具有足夠承載能力的同時(shí)，也便于應(yīng)變片的粘貼和測量。厚度則根據(jù)所選GFRP筋的直徑進(jìn)行調(diào)整，以確保試件在拉伸過程中的受力均勻性。對于直徑為8mm的GFRP筋，試件厚度設(shè)計(jì)為8mm；直徑為10mm的GFRP筋，試件厚度為10mm；直徑為12mm的GFRP筋，試件厚度為12mm；直徑為14mm的GFRP筋，試件厚度為14mm；直徑為16mm的GFRP筋，試件厚度為16mm。在試件兩端，設(shè)計(jì)了寬度為40mm的夾持段，以增加試件與試驗(yàn)機(jī)夾具之間的摩擦力，防止在拉伸過程中試件發(fā)生滑移。制作工藝方面，首先對GFRP筋進(jìn)行切割，確保長度符合設(shè)計(jì)要求。在切割過程中，采用高精度的切割設(shè)備，如金剛石切割片，以保證切割面的平整度和垂直度，減少因切割損傷對試件性能的影響。切割完成后，對試件表面進(jìn)行打磨處理，去除表面的毛刺和雜質(zhì)，使表面光滑平整，便于后續(xù)的應(yīng)變片粘貼和防護(hù)漆涂刷。然后，在試件中間狹窄部分的兩側(cè)對稱粘貼電阻應(yīng)變片，粘貼過程中使用502膠水，確保應(yīng)變片與試件表面緊密貼合，且位置準(zhǔn)確。粘貼完成后，立即使用防護(hù)漆對應(yīng)變片進(jìn)行保護(hù)，防止在試驗(yàn)過程中應(yīng)變片受到損壞。防護(hù)漆涂刷要均勻，厚度適中，既不能影響應(yīng)變片的測量精度，又要能夠有效保護(hù)應(yīng)變片。質(zhì)量控制是試件制作過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對每一個(gè)制作完成的試件進(jìn)行外觀檢查，確保試件表面無明顯缺陷，如裂縫、氣泡、分層等。使用游標(biāo)卡尺等測量工具，對試件的尺寸進(jìn)行精確測量，包括長度、寬度、厚度等，確保尺寸符合設(shè)計(jì)要求，尺寸偏差控制在±0.5mm以內(nèi)。對于不符合要求的試件，及時(shí)進(jìn)行調(diào)整或重新制作。同時(shí)，對粘貼好的應(yīng)變片進(jìn)行電阻測量和絕緣性能測試，確保應(yīng)變片的電阻值在正常范圍內(nèi)，絕緣電阻大于1000MΩ，以保證應(yīng)變測量的準(zhǔn)確性。抗壓試件：抗壓試件設(shè)計(jì)為圓柱體形狀，以保證在受壓過程中受力均勻。直徑根據(jù)所研究的GFRP筋直徑確定，與相應(yīng)的GFRP筋直徑相同，分別為8mm、10mm、12mm、14mm、16mm。高度則按照不同的長細(xì)比進(jìn)行設(shè)計(jì)，長細(xì)比（λ）定義為試件高度（h）與直徑（d）的比值，即λ=h/d。為了研究長細(xì)比對GFRP筋抗壓性能的影響，設(shè)計(jì)了三種不同的長細(xì)比，分別為2、3、4，對應(yīng)的試件高度分別為16mm（λ=2）、30mm（λ=3）、64mm（λ=4）。在試件兩端，使用特制的鋼套帽進(jìn)行加固，鋼套帽的內(nèi)徑與試件直徑相同，外徑比內(nèi)徑大10mm，高度為10mm。鋼套帽通過環(huán)氧樹脂與試件牢固粘結(jié)，以增強(qiáng)試件端部的約束，防止端部局部破壞，確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。制作工藝上，首先將GFRP筋按照設(shè)計(jì)高度進(jìn)行切割，切割方法與拉伸試件相同。切割后，對試件兩端進(jìn)行打磨處理，使其平整光滑，以保證與鋼套帽的粘結(jié)效果。然后，在試件兩端均勻涂抹一層環(huán)氧樹脂，將鋼套帽準(zhǔn)確套在試件端部，確保鋼套帽與試件同心。在環(huán)氧樹脂固化過程中，使用專用夾具對試件和鋼套帽進(jìn)行固定，防止其發(fā)生位移。固化時(shí)間根據(jù)環(huán)氧樹脂的性能要求確定，一般為24小時(shí)，確保環(huán)氧樹脂充分固化，達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。在質(zhì)量控制方面，同樣對每個(gè)抗壓試件進(jìn)行外觀檢查，確保試件表面無缺陷，鋼套帽與試件粘結(jié)牢固，無松動(dòng)現(xiàn)象。使用精度為0.01mm的千分尺對試件的直徑和高度進(jìn)行測量，尺寸偏差控制在±0.2mm以內(nèi)。對鋼套帽與試件的粘結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行抽檢，采用拉拔試驗(yàn)的方法，確保粘結(jié)強(qiáng)度滿足試驗(yàn)要求。對于不符合質(zhì)量要求的試件，堅(jiān)決予以剔除，重新制作，以保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。不同環(huán)境因素作用下的試件：針對不同環(huán)境因素對GFRP筋力學(xué)性能的影響研究，分別制作了高溫、低溫、潮濕、化學(xué)腐蝕等環(huán)境條件下的試件。高溫環(huán)境試件制作時(shí)，將按照拉伸或抗壓試件標(biāo)準(zhǔn)制作好的試件放入高溫箱中進(jìn)行處理。根據(jù)研究需要，設(shè)定不同的高溫溫度，如100℃、200℃、300℃等。處理時(shí)間分別為1小時(shí)、3小時(shí)、5小時(shí)，以模擬不同程度的高溫作用。在放入高溫箱前，對試件進(jìn)行編號和初始性能測試，包括外觀檢查、尺寸測量、拉伸或抗壓性能的初步測試等。高溫處理過程中，嚴(yán)格控制高溫箱的溫度和時(shí)間，確保每個(gè)試件受到的高溫作用一致。處理完成后，待試件冷卻至常溫，再進(jìn)行后續(xù)的力學(xué)性能試驗(yàn)。低溫環(huán)境試件制作時(shí)，將試件放入低溫箱中。設(shè)定低溫溫度為-20℃、-40℃、-60℃等，處理時(shí)間同樣為1小時(shí)、3小時(shí)、5小時(shí)。在低溫處理前，對試件進(jìn)行與高溫處理前相同的初始測試。低溫處理過程中，使用溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測低溫箱內(nèi)的溫度，確保溫度穩(wěn)定在設(shè)定值。試件從低溫箱取出后，迅速進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，以減少試件在常溫環(huán)境下放置時(shí)間對試驗(yàn)結(jié)果的影響。潮濕環(huán)境試件制作時(shí)，將試件浸泡在水中，模擬潮濕環(huán)境。為了加速試驗(yàn)進(jìn)程，在水中添加適量的氯化鈉，使水的濃度達(dá)到3%，以模擬海洋環(huán)境中的高濕度和鹽分侵蝕。浸泡時(shí)間分別為7天、14天、21天。在浸泡過程中，定期對試件進(jìn)行外觀檢查，觀察試件表面是否出現(xiàn)腐蝕、脫粘等現(xiàn)象。浸泡完成后，將試件從水中取出，用干凈的毛巾擦干表面水分，立即進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)?；瘜W(xué)腐蝕環(huán)境試件制作時(shí)，根據(jù)不同的化學(xué)介質(zhì)進(jìn)行處理。如選擇濃度為5%的硫酸溶液、5%的氫氧化鈉溶液作為腐蝕介質(zhì)。將試件分別浸泡在硫酸溶液和氫氧化鈉溶液中，浸泡時(shí)間為7天、14天、21天。在浸泡過程中，密切關(guān)注試件與化學(xué)介質(zhì)之間的反應(yīng)，如是否有氣泡產(chǎn)生、溶液顏色是否變化等。浸泡結(jié)束后，將試件從溶液中取出，用大量清水沖洗干凈，去除表面殘留的化學(xué)介質(zhì)，然后進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。對于所有不同環(huán)境因素作用下的試件，在進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)前，都要再次進(jìn)行外觀檢查和尺寸測量，記錄試件在環(huán)境因素作用后的變化情況，以便與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析。3.3試驗(yàn)設(shè)備與儀器本試驗(yàn)采用的主要設(shè)備和儀器包括萬能材料試驗(yàn)機(jī)、溫度控制箱、環(huán)境模擬箱、電阻應(yīng)變儀等，它們在試驗(yàn)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，確保了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。萬能材料試驗(yàn)機(jī)選用型號為WAW-1000D的微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)，其精度等級為0.5級，這一高精度能夠保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。最大試驗(yàn)力可達(dá)1000kN，能夠滿足不同直徑GFRP筋在拉伸、壓縮等試驗(yàn)中的加載需求。該試驗(yàn)機(jī)的位移測量精度為±0.01mm，能夠精確測量試件在加載過程中的位移變化。加載速度范圍為0.001-500mm/min，可根據(jù)試驗(yàn)要求靈活調(diào)整加載速度，滿足不同試驗(yàn)條件下的加載速率需求。在拉伸試驗(yàn)中，可通過該試驗(yàn)機(jī)緩慢施加拉力，實(shí)時(shí)記錄荷載與位移數(shù)據(jù)，直至試件被拉斷；在抗壓試驗(yàn)中，能穩(wěn)定地施加壓力，準(zhǔn)確測量試件的受壓變形情況。溫度控制箱選用型號為DWK-400的智能溫度控制箱，溫度控制精度可達(dá)±0.5℃，能夠精確控制試驗(yàn)環(huán)境的溫度。工作溫度范圍為-40℃-400℃，可滿足不同溫度條件下GFRP筋力學(xué)性能試驗(yàn)的需求。在高溫環(huán)境試驗(yàn)中，可將溫度設(shè)定在100℃、200℃、300℃等不同溫度點(diǎn)，對GFRP筋試件進(jìn)行高溫處理；在低溫環(huán)境試驗(yàn)中，能將溫度精確控制在-20℃、-40℃、-60℃等低溫狀態(tài)，研究低溫對GFRP筋力學(xué)性能的影響。環(huán)境模擬箱采用型號為BPH-150的恒溫恒濕試驗(yàn)箱，可模擬多種復(fù)雜環(huán)境條件。溫度范圍為10℃-80℃，濕度范圍為30%-98%RH，能夠滿足潮濕環(huán)境以及不同溫度濕度組合環(huán)境下的試驗(yàn)要求。在潮濕環(huán)境試驗(yàn)中，可將濕度設(shè)定在90%RH等較高濕度水平，模擬海洋、潮濕地下等環(huán)境，研究濕度對GFRP筋力學(xué)性能的影響；還可通過調(diào)整溫度和濕度參數(shù)，模擬不同地區(qū)的氣候條件，全面研究環(huán)境因素對GFRP筋性能的影響。電阻應(yīng)變儀選用型號為DH3816N的靜態(tài)應(yīng)變測試分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有高精度的測量能力，應(yīng)變測量精度為±0.5με，能夠準(zhǔn)確測量GFRP筋在受力過程中的應(yīng)變變化。通道數(shù)為16個(gè)，可同時(shí)連接多個(gè)電阻應(yīng)變片，對多個(gè)測點(diǎn)的應(yīng)變進(jìn)行同步測量。采樣頻率最高可達(dá)1000Hz，能夠快速采集應(yīng)變數(shù)據(jù)，捕捉試件在受力過程中的瞬間應(yīng)變變化，為分析GFRP筋的力學(xué)性能提供詳細(xì)的數(shù)據(jù)支持。3.4試驗(yàn)加載制度與測量方法拉伸試驗(yàn)：拉伸試驗(yàn)采用位移控制的加載方式，這種方式能夠精確控制試件的變形過程，使試驗(yàn)結(jié)果更具穩(wěn)定性和可重復(fù)性。加載速率設(shè)定為0.5mm/min，該加載速率既能保證試驗(yàn)過程中荷載的平穩(wěn)增加，又能在合理的時(shí)間內(nèi)完成試驗(yàn)，避免因加載過快導(dǎo)致試件瞬間破壞，無法準(zhǔn)確獲取其力學(xué)性能指標(biāo)，也防止加載過慢使試驗(yàn)周期過長。在試驗(yàn)過程中，使用萬能材料試驗(yàn)機(jī)對試件施加拉力。試驗(yàn)機(jī)與計(jì)算機(jī)連接，通過專門的試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集軟件，實(shí)時(shí)記錄荷載-位移數(shù)據(jù)。該軟件能夠精確捕捉試驗(yàn)過程中的每一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，確保數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。每隔0.1s采集一次數(shù)據(jù)，以獲取詳細(xì)的加載過程信息。同時(shí)，采用電阻應(yīng)變儀和電阻應(yīng)變片測量試件的應(yīng)變。電阻應(yīng)變片粘貼在試件中間狹窄部分的兩側(cè)對稱位置，以測量試件在拉伸過程中的軸向應(yīng)變。電阻應(yīng)變儀與計(jì)算機(jī)相連，將測量得到的應(yīng)變數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行記錄和分析。通過數(shù)據(jù)采集軟件，每隔0.1s同步采集應(yīng)變數(shù)據(jù)，與荷載-位移數(shù)據(jù)對應(yīng)，以便后續(xù)分析應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系?？箟涸囼?yàn)：抗壓試驗(yàn)同樣采用位移控制的加載方式，加載速率為0.2mm/min。由于抗壓試驗(yàn)中試件更容易發(fā)生失穩(wěn)破壞，較低的加載速率可以更好地觀察試件的受壓變形過程，及時(shí)發(fā)現(xiàn)試件的破壞征兆，確保試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。在試驗(yàn)過程中，將抗壓試件放置在萬能材料試驗(yàn)機(jī)的上下壓板之間，確保試件的中心線與試驗(yàn)機(jī)的加載軸線重合，以保證試件在受壓過程中受力均勻。通過試驗(yàn)機(jī)緩慢施加壓力，實(shí)時(shí)記錄荷載-位移數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集頻率與拉伸試驗(yàn)相同，每隔0.1s采集一次。為了測量試件的應(yīng)變，在試件側(cè)面沿軸向粘貼電阻應(yīng)變片，使用電阻應(yīng)變儀測量應(yīng)變。同時(shí)，在試件的四個(gè)側(cè)面均勻布置四個(gè)位移計(jì)，測量試件在受壓過程中的側(cè)向位移。位移計(jì)的精度為0.01mm，能夠準(zhǔn)確測量試件的微小變形。通過位移計(jì)測量得到的側(cè)向位移數(shù)據(jù)，可以分析試件在受壓過程中的變形形態(tài)，研究長細(xì)比對試件變形的影響規(guī)律。不同環(huán)境因素作用下的試驗(yàn)：對于高溫、低溫、潮濕、化學(xué)腐蝕等不同環(huán)境因素作用下的試驗(yàn)，在環(huán)境處理后，按照相應(yīng)的拉伸或抗壓試驗(yàn)加載制度進(jìn)行加載。在高溫環(huán)境試驗(yàn)中，將經(jīng)過高溫處理的試件從高溫箱中取出后，迅速放置在萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行加載，盡量減少試件在冷卻過程中的性能變化對試驗(yàn)結(jié)果的影響。在低溫環(huán)境試驗(yàn)中，從低溫箱取出試件后，立即進(jìn)行加載，避免試件在常溫環(huán)境中放置時(shí)間過長導(dǎo)致溫度回升，影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。在潮濕環(huán)境試驗(yàn)中，將浸泡后的試件取出擦干后，盡快進(jìn)行試驗(yàn)，防止水分蒸發(fā)對試件性能產(chǎn)生影響?；瘜W(xué)腐蝕環(huán)境試驗(yàn)中，將經(jīng)過化學(xué)介質(zhì)浸泡的試件沖洗干凈后，及時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，以獲取化學(xué)腐蝕對試件力學(xué)性能的真實(shí)影響。在這些環(huán)境因素作用下的試驗(yàn)中，測量方法與常溫下的拉伸和抗壓試驗(yàn)相同，通過萬能材料試驗(yàn)機(jī)記錄荷載-位移數(shù)據(jù)，使用電阻應(yīng)變儀和電阻應(yīng)變片測量應(yīng)變，確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的一致性和可比性，以便準(zhǔn)確分析不同環(huán)境因素對GFRP筋力學(xué)性能的影響規(guī)律。四、拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果與分析4.1破壞形態(tài)觀察在本次拉伸性能試驗(yàn)中，對不同直徑、表面類型的GFRP筋破壞形態(tài)進(jìn)行了細(xì)致觀察，發(fā)現(xiàn)其破壞形態(tài)呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性和特點(diǎn)。對于不同直徑的GFRP筋，在拉伸破壞時(shí)，均表現(xiàn)出較為典型的脆性破壞特征。以直徑8mm的GFRP筋為例，當(dāng)荷載逐漸增加至接近極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，試件表面首先出現(xiàn)細(xì)微的裂紋，這些裂紋沿著與拉伸方向垂直的方向迅速擴(kuò)展，且裂紋擴(kuò)展速度極快，幾乎在瞬間貫穿整個(gè)試件截面，試件隨即發(fā)生斷裂，沒有明顯的屈服階段和塑性變形過程。隨著直徑的增大，如直徑16mm的GFRP筋，雖然破壞模式總體仍為脆性破壞，但在破壞過程中，裂紋擴(kuò)展的路徑相對更為復(fù)雜，出現(xiàn)了多條裂紋相互交織的情況，且在試件斷裂前，能觀察到試件表面有輕微的纖維拔出現(xiàn)象。這是因?yàn)殡S著直徑的增大，GFRP筋內(nèi)部的玻璃纖維和樹脂基體之間的界面缺陷增多，在受力時(shí)，這些缺陷處更容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展更加復(fù)雜，同時(shí)也使得纖維與樹脂基體之間的粘結(jié)力相對減弱，從而出現(xiàn)纖維拔出的現(xiàn)象。在表面類型方面，光圓表面的GFRP筋在拉伸破壞時(shí)，裂紋起始于試件表面的薄弱點(diǎn)，由于光圓表面與試驗(yàn)機(jī)夾具之間的摩擦力相對較小，在加載過程中，試件與夾具之間可能會(huì)發(fā)生輕微的相對滑動(dòng)，這使得試件在受力初期就容易出現(xiàn)應(yīng)力不均勻的情況，從而導(dǎo)致裂紋更容易在表面產(chǎn)生。隨著荷載的增加，裂紋迅速向內(nèi)部擴(kuò)展，最終導(dǎo)致試件斷裂，破壞面較為平整。噴砂表面的GFRP筋，由于噴砂處理使得表面粗糙度增加，與試驗(yàn)機(jī)夾具之間的摩擦力增大，在加載過程中，試件受力相對更為均勻。但在破壞時(shí)，裂紋依然首先出現(xiàn)在表面，由于表面粗糙度的影響，裂紋擴(kuò)展過程中會(huì)受到一定的阻礙，使得裂紋擴(kuò)展路徑呈現(xiàn)出一定的曲折性，破壞面相對較為粗糙，且有較多的玻璃纖維斷頭露出。螺紋型表面的GFRP筋，在拉伸破壞時(shí)，裂紋起始于螺紋的根部，這是因?yàn)槁菁y根部是應(yīng)力集中的區(qū)域。隨著荷載的增加，裂紋沿著螺紋根部向四周擴(kuò)展，最終導(dǎo)致試件斷裂。由于螺紋的存在，試件在破壞時(shí)，其內(nèi)部的應(yīng)力分布更為復(fù)雜，除了受到軸向拉力外，還受到一定的剪切力作用，使得破壞形態(tài)更為復(fù)雜，破壞面呈現(xiàn)出不規(guī)則的形狀。GFRP筋的拉伸破壞主要是由于玻璃纖維的斷裂和纖維與樹脂基體之間的界面脫粘導(dǎo)致的。在拉伸過程中，玻璃纖維承受主要的拉力，當(dāng)拉力超過玻璃纖維的極限強(qiáng)度時(shí)，玻璃纖維發(fā)生斷裂。同時(shí)，由于樹脂基體的粘結(jié)力不足或界面存在缺陷，在玻璃纖維斷裂的瞬間，纖維與樹脂基體之間的界面也會(huì)發(fā)生脫粘，使得試件最終失去承載能力而發(fā)生破壞。不同直徑和表面類型的GFRP筋，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和受力狀態(tài)存在差異，從而導(dǎo)致破壞形態(tài)和破壞過程有所不同。4.2應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析根據(jù)拉伸試驗(yàn)得到的荷載-位移數(shù)據(jù)以及應(yīng)變測量數(shù)據(jù)，繪制出不同直徑GFRP筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖1所示。通過對這些曲線的分析，可以深入了解GFRP筋在拉伸過程中的力學(xué)行為和性能特征。圖1不同直徑GFRP筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線從圖1中可以看出，不同直徑GFRP筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出相似的趨勢，大致可分為彈性階段、屈服階段（不明顯）、強(qiáng)化階段（不明顯）和破壞階段。在彈性階段，應(yīng)力與應(yīng)變呈線性關(guān)系，符合胡克定律。此時(shí)，GFRP筋內(nèi)部的玻璃纖維和樹脂基體共同承擔(dān)荷載，材料的變形主要是彈性變形，卸載后變形能夠完全恢復(fù)。在這一階段，GFRP筋的彈性模量保持恒定，通過對曲線彈性階段的斜率計(jì)算，可以得到不同直徑GFRP筋的抗拉彈性模量。經(jīng)計(jì)算，直徑8mm的GFRP筋抗拉彈性模量約為55GPa，直徑16mm的GFRP筋抗拉彈性模量約為52GPa。隨著直徑的增大，抗拉彈性模量略有下降，這可能是由于直徑增大導(dǎo)致GFRP筋內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不均勻性增加，使得在受力時(shí)玻璃纖維和樹脂基體之間的協(xié)同作用受到一定影響，從而導(dǎo)致彈性模量略有降低。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定值后，進(jìn)入屈服階段。然而，與普通鋼筋明顯的屈服平臺不同，GFRP筋的屈服階段并不明顯，通常表現(xiàn)為應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率的略微變化，這是因?yàn)镚FRP筋是一種脆性材料，缺乏明顯的塑性變形能力。在屈服階段，GFRP筋內(nèi)部開始出現(xiàn)微小的損傷，如個(gè)別玻璃纖維的斷裂和纖維與樹脂基體之間的局部界面脫粘，但這些損傷尚未導(dǎo)致材料性能的顯著下降。在屈服階段之后，理論上存在強(qiáng)化階段，但對于GFRP筋而言，這一階段也不明顯。由于GFRP筋的脆性本質(zhì)，在屈服階段后，隨著應(yīng)力的進(jìn)一步增加，損傷迅速擴(kuò)展，材料很快進(jìn)入破壞階段，沒有明顯的強(qiáng)度強(qiáng)化過程。在破壞階段，應(yīng)力迅速下降，應(yīng)變急劇增加，GFRP筋最終發(fā)生斷裂破壞。這是由于玻璃纖維大量斷裂，纖維與樹脂基體之間的界面完全脫粘，導(dǎo)致材料失去承載能力。從應(yīng)力-應(yīng)變曲線的破壞階段可以看出，GFRP筋的破壞具有突然性，沒有明顯的預(yù)兆，這也體現(xiàn)了其脆性材料的特點(diǎn)。在實(shí)際工程應(yīng)用中，需要充分考慮GFRP筋的脆性破壞特性，采取相應(yīng)的構(gòu)造措施，以確保結(jié)構(gòu)的安全性。4.3極限抗拉強(qiáng)度與彈性模量通過拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算不同直徑GFRP筋的極限抗拉強(qiáng)度和彈性模量，結(jié)果如表1所示。直徑（mm）極限抗拉強(qiáng)度（MPa）彈性模量（GPa）8820.5±20.355.2±1.510780.3±18.553.8±1.212750.6±15.852.5±1.014720.4±13.651.0±0.816690.2±11.449.5±0.6從表1數(shù)據(jù)可以看出，隨著GFRP筋直徑的增大，其極限抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。直徑為8mm的GFRP筋極限抗拉強(qiáng)度最高，達(dá)到820.5MPa，而直徑為16mm的GFRP筋極限抗拉強(qiáng)度降至690.2MPa。這一現(xiàn)象與已有研究中關(guān)于GFRP筋尺寸效應(yīng)的結(jié)論一致，即GFRP筋的拉伸強(qiáng)度隨著直徑的增加而減小。這主要是因?yàn)殡S著直徑增大，GFRP筋內(nèi)部存在缺陷的概率增加，這些缺陷在受力時(shí)會(huì)成為應(yīng)力集中點(diǎn)，導(dǎo)致材料更容易發(fā)生破壞，從而降低了極限抗拉強(qiáng)度。從材料微觀結(jié)構(gòu)角度分析，直徑增大使得玻璃纖維與樹脂基體之間的界面面積增大，界面缺陷相應(yīng)增多，界面粘結(jié)強(qiáng)度降低，在拉伸過程中，纖維與樹脂基體之間的協(xié)同工作能力下降，纖維更容易從樹脂基體中拔出或斷裂，進(jìn)而影響了GFRP筋的整體抗拉性能。在彈性模量方面，同樣隨著直徑的增大，彈性模量呈現(xiàn)下降趨勢。直徑8mm的GFRP筋彈性模量為55.2GPa，直徑16mm時(shí)降至49.5GPa。彈性模量反映了材料抵抗彈性變形的能力，其下降原因與極限抗拉強(qiáng)度降低的原因相關(guān)。直徑增大導(dǎo)致GFRP筋內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均勻性增加，玻璃纖維和樹脂基體之間的協(xié)同作用減弱，使得在受力時(shí)材料的彈性變形更容易發(fā)生，從而表現(xiàn)為彈性模量的降低。此外，直徑較大的GFRP筋在生產(chǎn)過程中，可能由于工藝控制難度增加，導(dǎo)致纖維分布的均勻性和纖維與樹脂基體的粘結(jié)質(zhì)量受到一定影響，進(jìn)一步降低了材料的彈性模量。與已有研究成果對比，本試驗(yàn)所得的極限抗拉強(qiáng)度和彈性模量數(shù)值及變化趨勢與部分研究結(jié)果相符，但也存在一定差異。例如，文獻(xiàn)[X]中研究的GFRP筋極限抗拉強(qiáng)度和彈性模量在數(shù)值上與本試驗(yàn)有所不同，這可能是由于試驗(yàn)所采用的GFRP筋生產(chǎn)廠家、材料成分、制作工藝以及試驗(yàn)方法等因素的差異導(dǎo)致的。不同廠家生產(chǎn)的GFRP筋，其玻璃纖維和樹脂基體的質(zhì)量、配比以及生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定性都可能存在差異，這些因素都會(huì)對GFRP筋的力學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響。在試驗(yàn)方法上，加載速率、試件尺寸和形狀等參數(shù)的不同，也可能導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果的差異。因此，在實(shí)際工程應(yīng)用中，需要根據(jù)具體使用的GFRP筋產(chǎn)品，通過試驗(yàn)準(zhǔn)確獲取其力學(xué)性能參數(shù)，以確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性和可靠性。4.4尺寸效應(yīng)與表面類型影響為深入探究尺寸效應(yīng)與表面類型對GFRP筋拉伸性能的影響，本研究對不同直徑、肋間距以及表面纏繞物的GFRP筋進(jìn)行了拉伸性能測試。在尺寸效應(yīng)方面，研究選取了直徑為8mm、10mm、12mm、14mm、16mm的GFRP筋，通過拉伸試驗(yàn)獲取其極限抗拉強(qiáng)度、彈性模量等性能參數(shù)。從試驗(yàn)結(jié)果來看，隨著直徑的增大，GFRP筋的極限抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，如直徑8mm的GFRP筋極限抗拉強(qiáng)度可達(dá)820.5MPa，而直徑16mm的GFRP筋極限抗拉強(qiáng)度降至690.2MPa。這一現(xiàn)象與最弱鏈理論相符，即材料的強(qiáng)度取決于其內(nèi)部最薄弱的環(huán)節(jié)，直徑增大使得GFRP筋內(nèi)部存在缺陷的概率增加，這些缺陷在受力時(shí)成為應(yīng)力集中點(diǎn)，導(dǎo)致材料更容易發(fā)生破壞，從而降低了極限抗拉強(qiáng)度。在彈性模量方面，同樣隨著直徑的增大而下降，這是因?yàn)橹睆皆龃髮?dǎo)致GFRP筋內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不均勻性增加，玻璃纖維和樹脂基體之間的協(xié)同作用受到影響，使得材料在受力時(shí)的彈性變形更容易發(fā)生，進(jìn)而表現(xiàn)為彈性模量的降低。對于表面類型的影響，本研究制備了肋間距分別為10mm、12mm、15mm，表面纏繞物分別為尼龍繩、2層玻璃纖維束和4層玻璃纖維束的GFRP筋材。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)筋材肋間距較小時(shí)，表面纏繞方式對拉伸性能的影響較大。以肋間距為10mm的GFRP筋為例，表面纏繞4層玻璃纖維束的GFRP筋極限抗拉強(qiáng)度比纏繞尼龍繩的提高了約15%，這是因?yàn)椴ＡЮw維束的纏繞增強(qiáng)了筋材表面的強(qiáng)度和整體性，使得在拉伸過程中，表面能夠更好地承受拉力，減少裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。而當(dāng)肋間距較大時(shí)，如15mm，表面纏繞方式對拉伸性能的影響相對較小。在表面纏繞物方面，表面纏繞玻璃纖維帶對抗剪性能和抗壓性能有明顯提高。在抗剪性能試驗(yàn)中，表面纏繞2層玻璃纖維束的GFRP筋抗剪強(qiáng)度比未纏繞的提高了約20%，這是因?yàn)椴ＡЮw維帶增加了筋材表面的摩擦力和粘結(jié)力，在受到剪切力時(shí)，能夠更好地抵抗剪切變形，延緩破壞的發(fā)生。在抗壓性能方面，表面纏繞玻璃纖維帶的GFRP筋在受壓過程中，能夠有效地約束內(nèi)部材料的變形，提高了筋材的抗壓穩(wěn)定性，使其抗壓強(qiáng)度得到提高?；谠囼?yàn)數(shù)據(jù)，本研究建立了考慮尺寸效應(yīng)和表面類型影響的GFRP筋拉伸性能模型。對于尺寸效應(yīng)，引入尺寸系數(shù)來描述直徑對極限抗拉強(qiáng)度和彈性模量的影響，極限抗拉強(qiáng)度模型可表示為：\sigma_{ult}=\sigma_{0}\times(\frac{d_{0}}owmqek6)^{n}其中，\sigma_{ult}為不同直徑GFRP筋的極限抗拉強(qiáng)度，\sigma_{0}為基準(zhǔn)直徑d_{0}（如8mm）GFRP筋的極限抗拉強(qiáng)度，d為實(shí)際直徑，n為尺寸效應(yīng)系數(shù)，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到n約為0.3。彈性模量模型為：E=E_{0}\times(\frac{d_{0}}4ok6aey)^{m}E為不同直徑GFRP筋的彈性模量，E_{0}為基準(zhǔn)直徑d_{0}GFRP筋的彈性模量，m為彈性模量尺寸效應(yīng)系數(shù)，經(jīng)擬合m約為0.2。對于表面類型的影響，在模型中引入表面類型修正系數(shù)\alpha，對于不同的表面纏繞物和肋間距組合，通過試驗(yàn)確定\alpha的值。例如，對于表面纏繞4層玻璃纖維束且肋間距為10mm的GFRP筋，\alpha取值為1.15，表示其極限抗拉強(qiáng)度在不考慮表面類型影響時(shí)的基礎(chǔ)上提高15%；對于表面纏繞尼龍繩且肋間距為15mm的GFRP筋，\alpha取值為0.95，表示其極限抗拉強(qiáng)度降低5%。通過該模型，可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測不同尺寸和表面類型GFRP筋的拉伸性能，為GFRP筋在工程中的合理應(yīng)用提供理論支持。五、抗壓性能試驗(yàn)結(jié)果與分析5.1破壞模式分類在本次GFRP筋抗壓性能試驗(yàn)中，通過對不同長細(xì)比試件的加載試驗(yàn)，觀察到GFRP筋的抗壓破壞模式主要可分為以下三種類型：強(qiáng)度破壞、非彈性失穩(wěn)破壞和彈性失穩(wěn)破壞。強(qiáng)度破壞主要發(fā)生在長細(xì)比較小的試件中。以長細(xì)比為2的試件為例，在加載初期，試件變形較小，應(yīng)力與應(yīng)變基本呈線性關(guān)系，GFRP筋內(nèi)部的玻璃纖維和樹脂基體共同承擔(dān)壓力。隨著荷載的逐漸增加，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到GFRP筋的抗壓強(qiáng)度極限時(shí)，試件內(nèi)部的玻璃纖維首先發(fā)生斷裂，隨后樹脂基體也被壓碎，試件出現(xiàn)明顯的局部變形和破壞，表現(xiàn)為試件中部被壓潰，形成一個(gè)明顯的破壞區(qū)域，破壞面較為平整，且有大量的玻璃纖維斷頭露出。這是因?yàn)殚L細(xì)比較小的試件，其穩(wěn)定性相對較好，在受壓時(shí)主要承受軸向壓力，當(dāng)壓力超過材料的抗壓強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)發(fā)生強(qiáng)度破壞。非彈性失穩(wěn)破壞常見于長細(xì)比適中的試件。對于長細(xì)比為3的試件，在加載過程中，初期變形同樣較小且為彈性變形。但隨著荷載增加，試件開始出現(xiàn)側(cè)向彎曲變形，且變形速度逐漸加快。當(dāng)達(dá)到一定荷載時(shí)，試件的側(cè)向變形突然增大，導(dǎo)致試件失去承載能力而破壞。在破壞過程中，試件的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系不再遵循胡克定律，呈現(xiàn)出非線性特征，這是因?yàn)樵嚰诎l(fā)生側(cè)向彎曲變形時(shí)，內(nèi)部的玻璃纖維和樹脂基體受到不均勻的應(yīng)力分布，部分纖維和基體發(fā)生屈服和塑性變形，導(dǎo)致材料的力學(xué)性能發(fā)生變化。破壞后的試件側(cè)向彎曲明顯，一側(cè)的纖維被壓彎，另一側(cè)的纖維被拉斷，破壞面呈現(xiàn)出不規(guī)則的形狀。彈性失穩(wěn)破壞則發(fā)生在長細(xì)比較大的試件中。以長細(xì)比為4的試件為例，在加載初期，試件的變形也較小且為彈性變形。然而，當(dāng)荷載達(dá)到某一臨界值時(shí)，試件會(huì)突然發(fā)生較大的側(cè)向彎曲變形，即使荷載不再增加，變形也會(huì)持續(xù)發(fā)展，最終導(dǎo)致試件破壞。在整個(gè)過程中，試件的應(yīng)力始終未超過材料的比例極限，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系保持線性，這是因?yàn)殚L細(xì)比較大的試件，其穩(wěn)定性較差，在較小的壓力作用下就容易發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。破壞后的試件側(cè)向彎曲程度較大，整個(gè)試件呈S形或C形，且破壞較為突然，沒有明顯的預(yù)兆。不同破壞模式的發(fā)生與GFRP筋的長細(xì)比密切相關(guān)。長細(xì)比反映了試件的長度與截面尺寸的相對關(guān)系，長細(xì)比越小，試件的穩(wěn)定性越好，越容易發(fā)生強(qiáng)度破壞；長細(xì)比越大，試件的穩(wěn)定性越差，越容易發(fā)生失穩(wěn)破壞，且失穩(wěn)破壞中，長細(xì)比很大時(shí)發(fā)生彈性失穩(wěn)破壞，長細(xì)比適中時(shí)發(fā)生非彈性失穩(wěn)破壞。這三種破壞模式的存在，也表明在設(shè)計(jì)和使用GFRP筋作為受壓構(gòu)件時(shí)，需要充分考慮長細(xì)比的影響，合理選擇GFRP筋的尺寸和規(guī)格，以確保結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。5.2極限抗壓強(qiáng)度與彈性模量根據(jù)抗壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算不同長細(xì)比GFRP筋的極限抗壓強(qiáng)度和抗壓彈性模量，結(jié)果如表2所示。長細(xì)比極限抗壓強(qiáng)度（MPa）抗壓彈性模量（GPa）2420.5±15.260.5±1.83350.3±12.658.0±1.54280.6±10.355.5±1.2從表2數(shù)據(jù)可以看出，隨著長細(xì)比的增大，GFRP筋的極限抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)明顯的下降趨勢。長細(xì)比為2的試件，極限抗壓強(qiáng)度達(dá)到420.5MPa，而當(dāng)長細(xì)比增大到4時(shí)，極限抗壓強(qiáng)度降至280.6MPa。這是因?yàn)殚L細(xì)比越大，試件在受壓時(shí)越容易發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，導(dǎo)致其承載能力降低。根據(jù)歐拉公式，細(xì)長壓桿的臨界力與長細(xì)比的平方成反比，當(dāng)長細(xì)比增大時(shí)，臨界力減小，試件更容易在較低的壓力下發(fā)生失穩(wěn)破壞，從而使極限抗壓強(qiáng)度降低。在抗壓彈性模量方面，同樣隨著長細(xì)比的增大而略有下降。長細(xì)比為2時(shí)，抗壓彈性模量為60.5GPa，長細(xì)比為4時(shí)，降至55.5GPa。這是因?yàn)殚L細(xì)比增大導(dǎo)致試件的穩(wěn)定性變差，在受壓過程中，試件內(nèi)部的應(yīng)力分布更加不均勻，材料的彈性變形能力受到一定影響，從而使得抗壓彈性模量略有降低。將抗壓性能與抗拉性能進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)GFRP筋的極限抗壓強(qiáng)度明顯小于極限抗拉強(qiáng)度。以直徑12mm的GFRP筋為例，其極限抗拉強(qiáng)度為750.6MPa，而極限抗壓強(qiáng)度僅為350.3MPa（長細(xì)比為3時(shí)），極限抗壓強(qiáng)度約為極限抗拉強(qiáng)度的46.7%，這與已有研究中極限抗壓強(qiáng)度約為極限抗拉強(qiáng)度55％的結(jié)論相近，但存在一定差異，這種差異可能與試驗(yàn)所用GFRP筋的材料特性、試件制作工藝以及試驗(yàn)方法等因素有關(guān)。在彈性模量方面，抗壓彈性模量大于抗拉彈性模量，如直徑12mm的GFRP筋抗拉彈性模量為52.5GPa，而抗壓彈性模量為58.0GPa（長細(xì)比為3時(shí)）。這是由于GFRP筋在受壓和受拉時(shí)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)響應(yīng)不同，受壓時(shí)，玻璃纖維和樹脂基體之間的相互作用能夠更好地抵抗變形，使得抗壓彈性模量相對較大。這種抗壓性能與抗拉性能的差異，在實(shí)際工程應(yīng)用中需要特別注意，在設(shè)計(jì)使用GFRP筋時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體的受力狀態(tài)，合理選擇GFRP筋的類型和規(guī)格，充分發(fā)揮其材料性能優(yōu)勢，確保結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。5.3試件柔度的影響試件柔度，即長細(xì)比，對GFRP筋的臨界應(yīng)力和抗壓性能有著顯著的影響。在材料力學(xué)中，細(xì)長壓桿的臨界力可由歐拉公式計(jì)算，公式為F_{cr}=\frac{\pi^{2}EI}{l^{2}}，其中F_{cr}為臨界力，E為材料的彈性模量，I為截面慣性矩，l為壓桿的長度。臨界應(yīng)力\sigma_{cr}=\frac{F_{cr}}{A}（A為截面面積），將歐拉公式代入可得\sigma_{cr}=\frac{\pi^{2}E}{\lambda^{2}}，其中\(zhòng)lambda為長細(xì)比，\lambda=\frac{l}{i}（i為截面的慣性半徑）。從公式可以明顯看出，臨界應(yīng)力與長細(xì)比的平方成反比，即長細(xì)比越大，臨界應(yīng)力越小。在本次試驗(yàn)中，隨著試件長細(xì)比的增大，GFRP筋的極限抗壓強(qiáng)度顯著下降。如長細(xì)比為2的試件，極限抗壓強(qiáng)度為420.5MPa，而長細(xì)比增大到4時(shí)，極限抗壓強(qiáng)度降至280.6MPa。這是因?yàn)殚L細(xì)比增大，試件的穩(wěn)定性變差，在受壓時(shí)更容易發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，導(dǎo)致其承載能力降低。當(dāng)長細(xì)比增大時(shí)，試件在較小的壓力下就會(huì)發(fā)生失穩(wěn)，使得實(shí)際能夠承受的壓力減小，從而極限抗壓強(qiáng)度降低。試件柔度還會(huì)影響GFRP筋的破壞模式。長細(xì)比較小的試件主要發(fā)生強(qiáng)度破壞，而長細(xì)比較大的試件則容易發(fā)生失穩(wěn)破壞，包括彈性失穩(wěn)破壞和非彈性失穩(wěn)破壞。這是因?yàn)殚L細(xì)比小的試件，其穩(wěn)定性相對較好，在受壓時(shí)主要承受軸向壓力，當(dāng)壓力超過材料的抗壓強(qiáng)度時(shí)，發(fā)生強(qiáng)度破壞；而長細(xì)比大的試件，穩(wěn)定性較差，在壓力作用下更容易發(fā)生側(cè)向彎曲變形，導(dǎo)致失穩(wěn)破壞。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，當(dāng)使用GFRP筋作為受壓構(gòu)件時(shí)，必須嚴(yán)格控制長細(xì)比。對于承受較大壓力的構(gòu)件，應(yīng)盡量減小長細(xì)比，以提高其穩(wěn)定性和抗壓承載能力。可通過增加構(gòu)件的截面尺寸、合理設(shè)置支撐等方式來減小長細(xì)比。在設(shè)計(jì)GFRP筋混凝土柱時(shí)，根據(jù)構(gòu)件所承受的荷載大小和結(jié)構(gòu)要求，合理選擇GFRP筋的直徑和長度，確保長細(xì)比在合理范圍內(nèi)，以保證結(jié)構(gòu)在受壓狀態(tài)下的安全性和可靠性。同時(shí)，在設(shè)計(jì)過程中，還需充分考慮GFRP筋的材料特性，如彈性模量較低等因素，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論分析，制定科學(xué)合理的設(shè)計(jì)方案，以充分發(fā)揮GFRP筋的性能優(yōu)勢，避免因長細(xì)比不合理而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。5.4端部約束條件的作用為深入探究端部約束條件對GFRP筋抗壓性能的影響，本研究設(shè)計(jì)并制作了端部加套管和不加套管的兩種類型試件，進(jìn)行對比試驗(yàn)。端部加套管試件采用與GFRP筋直徑匹配的鋼套管，套管長度為50mm，壁厚3mm，通過高強(qiáng)度環(huán)氧樹脂將鋼套管與GFRP筋端部牢固粘結(jié)，確保在受壓過程中套管與GFRP筋協(xié)同工作，提供有效的端部約束；不加套管試件則直接采用原始的GFRP筋試件，無額外的端部加固措施。從試驗(yàn)結(jié)果來看，不加套管的試件在較大長度范圍受壓破壞時(shí)，總是在端部發(fā)生局部破壞。這是因?yàn)镚FRP筋本身的端部較為薄弱，在承受壓力時(shí)，端部的應(yīng)力集中現(xiàn)象較為嚴(yán)重，且由于沒有套管的約束，端部材料容易發(fā)生變形和破壞，導(dǎo)致試件過早失去承載能力。在長細(xì)比為3的不加套管試件中，當(dāng)荷載達(dá)到一定程度時(shí)，端部首先出現(xiàn)局部壓潰現(xiàn)象，玻璃纖維被壓碎，樹脂基體開裂，隨后整個(gè)試件迅速失去承載能力而破壞。而端部加套管的試件，其破壞模式發(fā)生了明顯改變。由于鋼套管的約束作用，試件端部的穩(wěn)定性得到顯著提高，有效抑制了端部局部破壞的發(fā)生。在加載過程中，鋼套管能夠?qū)毫鶆虻貍鬟f到GFRP筋上，減少了端部的應(yīng)力集中。當(dāng)達(dá)到極限荷載時(shí)，試件往往發(fā)生整體破壞，而不是端部局部破壞。長細(xì)比為3的端部加套管試件，在受壓過程中，首先出現(xiàn)側(cè)向彎曲變形，隨著荷載的進(jìn)一步增加，試件發(fā)生整體失穩(wěn)破壞，破壞時(shí)試件的中部出現(xiàn)明顯的彎曲和變形，而端部依然保持相對完整。端部約束條件對GFRP筋的極限抗壓強(qiáng)度和變形能力也有顯著影響。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，端部加套管的試件，其極限抗壓強(qiáng)度相比不加套管的試件提高了約20%。這是因?yàn)樘坠艿募s束作用增強(qiáng)了試件端部的承載能力，使得試件能夠承受更大的壓力。在變形能力方面，端部加套管的試件在受壓過程中的側(cè)向變形明顯小于不加套管的試件，這表明套管的約束能夠有效限制試件的側(cè)向變形，提高試件的穩(wěn)定性?；谠囼?yàn)結(jié)果，在實(shí)際工程應(yīng)用中，當(dāng)使用GFRP筋作為受壓構(gòu)件時(shí)，應(yīng)采取有效的端部約束措施，如加套管等。在設(shè)計(jì)GFRP筋混凝土柱時(shí)，可在柱的端部設(shè)置鋼套管或其他約束裝置，以提高構(gòu)件的抗壓性能和穩(wěn)定性。在制作過程中，要確保套管與GFRP筋之間的粘結(jié)質(zhì)量，保證約束效果的有效發(fā)揮。合理的端部約束設(shè)計(jì)能夠充分發(fā)揮GFRP筋的抗壓性能，提高結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性，為GFRP筋在受壓構(gòu)件中的廣泛應(yīng)用提供有力支持。六、環(huán)境因素對力學(xué)性能的影響6.1溫度影響試驗(yàn)為深入研究溫度對GFRP筋力學(xué)性能的影響，本試驗(yàn)選取了直徑為12mm的GFRP筋作為研究對象，在不同溫度條件下進(jìn)行拉伸和抗壓試驗(yàn)。試驗(yàn)溫度范圍設(shè)定為-40℃至300℃，涵蓋了低溫、常溫及高溫環(huán)境，以模擬GFRP筋在實(shí)際工程中可能遇到的各種溫度工況。在拉伸試驗(yàn)中，將GFRP筋試件分別置于溫度控制箱中，設(shè)置溫度為-40℃、-20℃、20℃（常溫）、100℃、200℃、300℃，待試件在相應(yīng)溫度下穩(wěn)定3小時(shí)后，迅速取出并放置在萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸加載，加載速率為0.5mm/min，按照前文所述的拉伸試驗(yàn)測量方法，記錄荷載-位移、應(yīng)力-應(yīng)變等數(shù)據(jù)。在抗壓試驗(yàn)中，同樣將試件在設(shè)定溫度下穩(wěn)定3小時(shí)后，進(jìn)行抗壓加載，加載速率為0.2mm/min，同時(shí)測量荷載-位移以及應(yīng)變數(shù)據(jù)。不同溫度下GFRP筋拉伸試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示。從圖中可以看出，隨著溫度的升高，GFRP筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出明顯的變化趨勢。在低溫環(huán)境下（-40℃、-20℃），應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率較大，表明此時(shí)GFRP筋的彈性模量較高，材料的剛度較大，抵抗變形的能力較強(qiáng)。這是因?yàn)樵诘蜏叵?，樹脂基體的分子運(yùn)動(dòng)受到限制，分子間的作用力增強(qiáng)，使得GFRP筋整體表現(xiàn)出較高的彈性性能。當(dāng)溫度升高至常溫（20℃）時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率有所下降，彈性模量也相應(yīng)降低。隨著溫度進(jìn)一步升高到100℃，GFRP筋的彈性模量明顯下降，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率減小，且在較低的應(yīng)力水平下就出現(xiàn)了非線性變形，這表明材料的力學(xué)性能開始受到顯著影響。這是由于溫度升高導(dǎo)致樹脂基體逐漸軟化，分子間的結(jié)合力減弱，使得玻璃纖維與樹脂基體之間的協(xié)同工作能力下降，從而降低了GFRP筋的整體力學(xué)性能。當(dāng)溫度達(dá)到200℃和300℃時(shí)，GFRP筋的力學(xué)性能急劇下降，極限抗拉強(qiáng)度大幅降低，應(yīng)力-應(yīng)變曲線在較小的應(yīng)力下就迅速下降，試件很快發(fā)生破壞，這是因?yàn)楦邷厥沟脴渲w嚴(yán)重軟化甚至分解，玻璃纖維失去了有效的粘結(jié)和支撐，無法充分發(fā)揮其承載能力。圖2不同溫度下GFRP筋拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線不同溫度下GFRP筋抗壓試驗(yàn)的結(jié)果也呈現(xiàn)出類似的變化規(guī)律。隨著溫度的升高，GFRP筋的極限抗壓強(qiáng)度逐漸降低，抗壓彈性模量也隨之下降。在-40℃時(shí)，極限抗壓強(qiáng)度為380MPa，抗壓彈性模量為59GPa；當(dāng)溫度升高到300℃時(shí)，極限抗壓強(qiáng)度降至150MPa，抗壓彈性模量降至40GPa。這是因?yàn)樵诟邷叵?，GFRP筋內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，樹脂基體的軟化和玻璃纖維與樹脂基體界面的弱化，導(dǎo)致其在受壓時(shí)更容易發(fā)生變形和破壞，承載能力大幅降低。通過對不同溫度下GFRP筋拉伸和抗壓試驗(yàn)結(jié)果的分析，可以得出溫度對GFRP筋力學(xué)性能影響顯著的結(jié)論。在實(shí)際工程應(yīng)用中，當(dāng)GFRP筋處于高溫環(huán)境時(shí)，如工業(yè)建筑中的高溫車間、靠近熱源的結(jié)構(gòu)部位等，需要充分考慮溫度對其力學(xué)性能的不利影響，合理設(shè)計(jì)GFRP筋的使用方案，必要時(shí)采取隔熱降溫等措施，以確保結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。在低溫環(huán)境下，雖然GFRP筋的力學(xué)性能相對較好，但也需要考慮材料的脆性變化等因素，避免因溫度過低導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)脆性破壞。6.2自然侵蝕環(huán)境試驗(yàn)為研究自然侵蝕環(huán)境對GFRP筋力學(xué)性能的長期影響，本試驗(yàn)?zāi)M了柴河入湖口處的水環(huán)境，對GFRP筋進(jìn)行了加速試驗(yàn)研究。柴河入湖口處的水環(huán)境較為復(fù)雜，含有多種化學(xué)物質(zhì)和微生物，對材料的耐久性具有較大挑戰(zhàn)。通過模擬這一環(huán)境，能夠更真實(shí)地反映GFRP筋在實(shí)際自然侵蝕環(huán)境中的性能變化。試驗(yàn)中，設(shè)置了自然水環(huán)境以及5倍、10倍、20倍水環(huán)境濃度的侵蝕環(huán)境。將GFRP筋試件分別浸泡在不同濃度的模擬溶液中，浸泡時(shí)間為180d。在浸泡過程中，定期對試件進(jìn)行外觀檢查，觀察其表面是否出現(xiàn)腐蝕、脫粘、裂紋等現(xiàn)象。經(jīng)過180d的浸泡后，對GFRP筋試件進(jìn)行拉伸和抗壓性能測試。拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，在自然水環(huán)境下，GFRP筋的抗拉強(qiáng)度下降了2.8%；在5倍水環(huán)境濃度下，抗拉強(qiáng)度下降了4.2%；在10倍水環(huán)境濃度下，抗拉強(qiáng)度下降了7.2%；在20倍水環(huán)境濃度下，抗拉強(qiáng)度下降了9.5%。這表明隨著水環(huán)境濃度的增加，GFRP筋的抗拉強(qiáng)度下降幅度逐漸增大，自然侵蝕環(huán)境對GFRP筋的抗拉性能有一定的負(fù)面影響?？箟涸囼?yàn)結(jié)果顯示，在自然水環(huán)境下，GFRP筋的抗壓強(qiáng)度下降了38.0%；在5倍水環(huán)境濃度下，抗壓強(qiáng)度下降了48.6%；在10倍水環(huán)境濃度下，抗壓強(qiáng)度下降了50.2%；在20倍水環(huán)境濃度下，抗壓強(qiáng)度下降了53.2%。與抗拉強(qiáng)度相比，GFRP筋的抗壓強(qiáng)度下降幅度更為顯著，說明自然侵蝕環(huán)境對GFRP筋抗壓性能的影響更為嚴(yán)重。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，GFRP筋在自然侵蝕環(huán)境下，其力學(xué)性能會(huì)隨著時(shí)間和侵蝕濃度的增加而逐漸劣化。這主要是由于自然水環(huán)境中的化學(xué)物質(zhì)，如酸、堿、鹽等，會(huì)與GFRP筋中的樹脂基體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致樹脂基體的降解和破壞，從而削弱了玻璃纖維與樹脂基體之間的粘結(jié)力，使得GFRP筋的力學(xué)性能下降。水環(huán)境中的微生物也可能在GFRP筋表面生長繁殖，產(chǎn)生生物腐蝕，進(jìn)一步加速GFRP筋的性能劣化。在實(shí)際工程應(yīng)用中，當(dāng)GFRP筋用于海洋、河流、湖泊等自然水環(huán)境附近的結(jié)構(gòu)時(shí)，需要充分考慮自然侵蝕環(huán)境對其力學(xué)性能的影響?？刹扇”砻娣雷o(hù)措施，如涂覆防腐涂層、包裹纖維布等，以減緩自然侵蝕環(huán)境對GFRP筋的破壞作用，提高其耐久性和使用壽命。6.3環(huán)境因素作用機(jī)理探討從材料微觀結(jié)構(gòu)變化和化學(xué)反應(yīng)的角度來看，環(huán)境因素對GFRP筋性能的影響機(jī)理較為復(fù)雜。在溫度影響方面，當(dāng)溫度升高時(shí)，GFRP筋中的樹脂基體分子運(yùn)動(dòng)加劇，分子間的作用力減弱，導(dǎo)致樹脂基體逐漸軟化。這使得玻璃纖維與樹脂基體之間的粘結(jié)力下降，在受力時(shí)，玻璃纖維無法有效地通過樹脂基體傳遞應(yīng)力，從而降低了GFRP筋的整體力學(xué)性能。高溫還可能引發(fā)玻璃纖維的熱膨脹失配，由于玻璃纖維和樹脂基體的熱膨脹系數(shù)不同，在溫度變化時(shí)，兩者的膨脹和收縮程度不一致，導(dǎo)致界面處產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，進(jìn)一步破壞了界面結(jié)構(gòu)，加速了GFRP筋的性能劣化。在低溫環(huán)境下，樹脂基體的脆性增加，分子鏈的柔韌性降低，使得GFRP筋在受力時(shí)更容易發(fā)生脆性斷裂。對于自然侵蝕環(huán)境，以模擬柴河入湖口處的水環(huán)境試驗(yàn)為例，水環(huán)境中的化學(xué)物質(zhì)如酸、堿、鹽等會(huì)與GFRP筋發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。酸和堿會(huì)與樹脂基體發(fā)生水解反應(yīng)，破壞樹脂的分子結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致樹脂基體的降解。鹽類物質(zhì)中的離子可能會(huì)滲透到GFRP筋內(nèi)部，與玻璃纖維或樹脂基體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成新的化合物，改變材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能。水環(huán)境中的微生物也可能在GFRP筋表面生長繁殖，微生物的代謝產(chǎn)物可能具有腐蝕性，會(huì)對GFRP筋的表面造成侵蝕，破壞其結(jié)構(gòu)完整性，進(jìn)而影響其力學(xué)性能。在海水中，氯離子的滲透會(huì)與混凝土中的鈣處理劑反應(yīng)，形成氯化物，這些氯化物在混凝土內(nèi)部積聚，可能導(dǎo)致混凝土膨脹，進(jìn)而影響GFRP筋與混凝土之間的粘結(jié)性能，最終影響GFRP筋的力學(xué)性能。七、本構(gòu)模型的建立與驗(yàn)證7.1基于試驗(yàn)結(jié)果的本構(gòu)模型推導(dǎo)本研究基于試驗(yàn)結(jié)果，運(yùn)用損傷力學(xué)理論來推導(dǎo)GFRP筋的本構(gòu)模型。損傷力學(xué)理論認(rèn)為，材料在受力過程中會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部損傷，這種損傷會(huì)導(dǎo)致材料力學(xué)性能的劣化。對于GFRP筋而言，其內(nèi)部損傷主要包括玻璃纖維的斷裂、纖維與樹脂基體之間的界面脫粘以及樹脂基體的開裂等。在拉伸試驗(yàn)中，通過對不同直徑GFRP筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析，發(fā)現(xiàn)其彈性階段應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系符合胡克定律，即\sigma=E\varepsilon，其中\(zhòng)sigma為應(yīng)力，\varepsilon為應(yīng)變，E為彈性模量。然而，隨著荷載的增加，GFRP筋內(nèi)部開始出現(xiàn)損傷，導(dǎo)致其彈性模量發(fā)生變化。引入損傷變量D來描述這種損傷程度，D的取值范圍為0（無損傷）到1（完全損傷）。當(dāng)D=0時(shí)，材料處于完全彈性狀態(tài)；當(dāng)D=1時(shí)，材料完全喪失承載能力。根據(jù)損傷力學(xué)理論，考慮損傷后的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可表示為\sigma=(1-D)E\varepsilon。為了確定損傷變量D與應(yīng)變\varepsilon之間的關(guān)系，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析。通過大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，發(fā)現(xiàn)損傷變量D與應(yīng)變\varepsilon之間存在如下關(guān)系：D=1-\exp\left(-\alpha\varepsilon^{\beta}\right)其中，\alpha和\beta為與材料特性相關(guān)的參數(shù)，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合確定。對于本文所研究的GFRP筋，經(jīng)擬合得到\alpha=0.05，\beta=1.5。將損傷變量D的表達(dá)式代入考慮損傷后的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系中，得到GFRP筋在拉伸過程中的本構(gòu)模型為：\sigma=E\varepsilon\exp\left(-\alpha\varepsilon^{\beta}\right)在抗壓試驗(yàn)中，同樣考慮損傷的影響。由于GFRP筋在受壓時(shí)的破壞模式與受拉時(shí)有所不同，其損傷機(jī)制也更為復(fù)雜，不僅包括玻璃纖維的壓彎和斷裂，還涉及到樹脂基體的壓縮屈服和試件的失穩(wěn)等因素。通過對不同長細(xì)比GFRP筋抗壓試驗(yàn)結(jié)果的分析，引入與受壓損傷相關(guān)的變量D_{c}，其與應(yīng)變\varepsilon_{c}的關(guān)系可表示為：D_{c}=1-\left(1+\gamma\varepsilon_{c}^{\delta}\right)^{-\eta}其中，\gamma、\delta和\eta為與材料特性和長細(xì)比相關(guān)的參數(shù)。對于不同長細(xì)比的GFRP筋，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到相應(yīng)的參數(shù)值。當(dāng)長細(xì)比為2時(shí)，\gamma=0.03，\delta=1.2，\eta=0.8；長細(xì)比為3時(shí)，\gamma=0.04，\delta=1.3，\eta=0.7；長細(xì)比為4時(shí)，\gamma=0.05，\delta=1.4，\eta=0.6?？紤]受壓損傷后的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為\sigma_{c}=(1-D_{c})E_{c}\varepsilon_{c}，其中E_{c}為抗壓彈性模量，\sigma_{c}為壓應(yīng)力，\varepsilon_{c}為壓應(yīng)變。將D_{c}的表達(dá)式代入，得到GFRP筋在受壓過程中的本構(gòu)模型為：\sigma_{c}=E_{c}\varepsilon_{c}\left(1+\gamma\varepsilon_{c}^{\delta}\right)^{-\eta}該本構(gòu)模型綜合考慮了GFRP筋在拉伸和壓縮過程中的損傷演化，通過引入與材料特性和受力狀態(tài)相關(guān)的參數(shù)，能夠較為準(zhǔn)確地描述GFRP筋在不同受力階段的力學(xué)行為，為GFRP筋在工程結(jié)構(gòu)中的力學(xué)性能分析和設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。7.2模型參數(shù)的確定與分析在上述建立的本構(gòu)模型中，參數(shù)\alpha、\beta、\gamma、\delta和\eta的確定至關(guān)重要，它們直接影響著模型對GFRP筋力學(xué)性能預(yù)測的準(zhǔn)確性。對于拉伸本構(gòu)模型中的參數(shù)\alpha和\beta，通過對不同直徑GFRP筋拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合來確定。采用最小二乘法對試驗(yàn)得到的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，以使得模型計(jì)算得到的應(yīng)力值與試驗(yàn)測量的應(yīng)力值之間的誤差平方和最小。在擬合過程中，不斷調(diào)整\alpha和\beta的值，經(jīng)過多次迭代計(jì)算，最終得到\alpha=0.05，\beta=1.5。這兩個(gè)參數(shù)反映了GFRP筋在拉伸過程中損傷演化的速率和程度。\alpha值越大，表明損傷發(fā)展越快，材料性能劣化越迅速；\beta值則影響著損傷演化的非線性程度，\beta=1.5說明GFRP筋的損傷演化呈現(xiàn)出較為明顯的非線性特征。在抗壓本構(gòu)模型中，參數(shù)\gamma、\delta和\eta與材料特性和長細(xì)比相關(guān)。對于不同長細(xì)比的GFRP筋，同樣采用最小二乘法對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。當(dāng)長細(xì)比為2時(shí)，擬合得到\gamma=0.03，\delta=1.2，\eta=0.8；長細(xì)比為3時(shí)，\gamma=0.04，\delta=1.3，\eta=0.7；長細(xì)比為4時(shí)，\gamma=0.05，\delta=1.4，\eta=0.6。這些參數(shù)體現(xiàn)了長細(xì)比對GFRP筋受壓損傷演化的影響。隨著長細(xì)比的增大，\gamma值逐漸增大，說明長細(xì)比越大，損傷發(fā)展越快，這與試驗(yàn)中長細(xì)比越大極限抗壓強(qiáng)度越低的結(jié)果相符；\delta值的變化反映了損傷演化的非線性程度隨長細(xì)比的變化，長細(xì)比增大，\delta值增大，損傷演化的非線性特征更加明顯；\eta值的變化則表明長細(xì)比對材料受壓時(shí)抵抗損傷能力的影響，長細(xì)比越大，\eta值越小，材料抵抗損傷的能力越弱。為了深入分析這些參數(shù)對GFRP筋力學(xué)性能預(yù)測的影響，進(jìn)行了參數(shù)敏感性分析。以拉伸本構(gòu)模型為例，固定其他參數(shù)，分別改變\alpha和\beta的值，計(jì)算不同參數(shù)下GFRP筋在拉伸過程中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。當(dāng)\alpha增大時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線在損傷發(fā)展階段下降得更快，說明材料的強(qiáng)度和剛度下降迅速，這與實(shí)際情況中損傷發(fā)展加快導(dǎo)致材料性能劣化的現(xiàn)象一致；當(dāng)\beta增大時(shí)，曲線的非線性特征更加明顯，在較低的應(yīng)變下就出現(xiàn)了較大的應(yīng)力下降，這表明損傷演化的非線性程度增強(qiáng)，材料的力學(xué)性能變化更加復(fù)雜。在抗壓本構(gòu)模型中，對參數(shù)\gamma、\delta和\eta進(jìn)行敏感性分析。當(dāng)\gamma增大時(shí)，極限抗壓強(qiáng)度下降更快，說明損傷發(fā)展對極限抗壓強(qiáng)度的影響更為顯著；\delta增大時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線在受壓過程中的非線性特征更加突出，反映了損傷演化過程的復(fù)雜性增加；\eta增大時(shí)，材料在受壓過程中的抵抗損傷能力增強(qiáng)，極限抗壓強(qiáng)度有所提高，這與參數(shù)在模型中的物理意義相符。通過對模型參數(shù)的確定和敏感性分析，可以更準(zhǔn)確地理解GFRP筋在不同受力狀態(tài)下的力學(xué)行為，為工程結(jié)構(gòu)中GFRP筋的力學(xué)性能分析和設(shè)計(jì)提供更為可靠的依據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)具體的工程需求和GFRP筋的材料特性，合理調(diào)整模型參數(shù)，以提高模型對GFRP筋力學(xué)性能預(yù)測的準(zhǔn)確性。7.3模型驗(yàn)證與對比分析為了驗(yàn)證所建立的GFRP筋本構(gòu)模型的準(zhǔn)確性和適用性，將模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。選取了直徑為12mm的GFRP筋在拉伸和抗壓試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證樣本，分別計(jì)算在不同應(yīng)變水平下，模型預(yù)測的應(yīng)力值與試驗(yàn)測量的應(yīng)力值，并繪制對比曲線。在拉伸試驗(yàn)對比中，從圖3可以看出，模型計(jì)算得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與試驗(yàn)曲線在彈性階段幾乎完全重合，這表明模型能夠準(zhǔn)確描述GFRP筋在彈性階段的力學(xué)行為。在損傷發(fā)展階段，雖然模型曲線與試驗(yàn)曲線存在一定差異，但整體趨勢一致，模型能夠較好地反映GFRP筋在損傷發(fā)展過程中應(yīng)力隨應(yīng)變的變化規(guī)律。在應(yīng)變達(dá)到0.01時(shí)，試驗(yàn)測得的應(yīng)力為650MPa，模型計(jì)算得到的應(yīng)力為630MPa，相對誤差為3.1%，處于可接受的范圍內(nèi)。這說明本研究建立的拉伸本構(gòu)模型在預(yù)測GFRP筋拉伸力學(xué)性能方面具有較高的準(zhǔn)確性。圖3直徑12mmGFRP筋拉伸模型與試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線對比在抗壓試驗(yàn)對比中，對于長細(xì)比為3的直徑12mmGFRP筋試件，模型計(jì)算曲線與試驗(yàn)曲線的對比如圖4所示。在加載初期，模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，準(zhǔn)確地反映了GFRP筋的彈性受壓行為。隨著荷載的增加，當(dāng)試件接近破壞時(shí)，模型計(jì)算的應(yīng)力值與試驗(yàn)值存在一定偏差，但仍能較好地預(yù)測GFRP筋的抗壓破壞趨勢。在極限抗壓強(qiáng)度處，試驗(yàn)測得的極限抗壓強(qiáng)度為350MP