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        FRP-混凝土組合橋面板單調(diào)靜力性能的試驗(yàn)研究

        2012-08-28 08:38:04古徐莉薛偉辰
        關(guān)鍵詞:連接件環(huán)氧樹脂橋面

        古徐莉,薛偉辰

        (同濟(jì)大學(xué)建筑工程系,上海200092)

        鋼-混凝土組合橋面板充分發(fā)揮了鋼材和混凝土2種材料的優(yōu)勢(shì),而且施工方便、重量較輕,因此在橋梁結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛.但在長(zhǎng)期運(yùn)營情況下,橋面板不僅直接承受輪壓荷載,而且還受到環(huán)境腐蝕等眾多不利因素的影響,容易發(fā)生銹蝕、開裂、剝離,甚至坍塌等現(xiàn)象[1].2003 年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明[2],美國的592 000座橋梁中近27%因腐蝕等原因造成功能退化,預(yù)計(jì)每年用于橋梁的維修改造費(fèi)達(dá)106億美元.因此,橋梁的耐久性很重要.

        FRP(Fiber Reinforced Polymer)具有抗拉強(qiáng)度高、耐腐蝕性好以及可設(shè)計(jì)性能強(qiáng)等特點(diǎn).將FRP型材與混凝土板連接形成的FRP-混凝土組合橋面板,不僅具有與鋼-混凝土組合橋面板相似的優(yōu)點(diǎn),如承載力高、剛度大、施工方便等,還具有輕質(zhì)、美觀、耐腐蝕的特點(diǎn).FRP-混凝土組合橋面板在人行天橋、應(yīng)急橋梁、景觀橋梁、軍事舟橋以及惡劣環(huán)境下的橋梁建設(shè)中具有廣闊的應(yīng)用前景.

        1990年,Hillman等[3]開始研究 FRP-混凝土組合結(jié)構(gòu).隨后,國內(nèi)外學(xué)者相繼提出了一些不同形式的FRP-混凝土組合結(jié)構(gòu),其中主要為組合橋面板.Deskovic[4]于 1995 年提出一種以纖維纏繞GFRP箱梁為主體的FRP-混凝土組合橋面板方案.試驗(yàn)研究表明,這種橋面板表現(xiàn)出一定程度的“偽延性”.Davey[5]開發(fā)出一種與鋼筋混凝土橋面板成本相當(dāng)?shù)?、面層為GFRP板而夾芯部分采用樹脂粉煤灰漿的新型復(fù)合材料橋面板.Hulatt等[6](2003年)采用預(yù)浸片材作為主要原料,基于真空袋法熟化工藝制作FRP殼,分別制作了截面為箱形、T形的組合橋面板,并開展了相應(yīng)的試驗(yàn)研究.研究表明,在荷載作用下,F(xiàn)RP板的力學(xué)性能幾乎沒有退化,而混凝土板的剛度則下降明顯.2007年,鄧宗才等[7]提出了一種新型FRP-混凝土組合橋面板形式,并給出了其簡(jiǎn)化失效分析方法.

        在FRP-混凝土組合橋面板中,F(xiàn)RP板與混凝土板的有效連接是保證橋面板正常工作的前提[8],國內(nèi)外學(xué)者對(duì)適用于FRP-混凝土組合橋面板的連接方式(FRP開孔板連接、粘接連接、FRP板表面粗糙處理等)進(jìn)行了研究.Helmueller等[9-10]對(duì)采用黏結(jié)粗砂粒的連接件進(jìn)行推出試驗(yàn)研究,Hulatt等[11]對(duì)采用環(huán)氧膠黏結(jié)的試件進(jìn)行單剪試驗(yàn)研究,Joo等[12]對(duì)采用FRP工字梁式連接件的試件進(jìn)行推出試驗(yàn)研究,試驗(yàn)結(jié)果證明了上述連接方式的有效性.

        目前,國內(nèi)外對(duì)FRP-混凝土組合橋面板的研究比較少,考慮不同連接方式對(duì)組合橋面板受力性能影響的研究幾乎是空白.筆者擬對(duì)FRP開孔板連接件連接和環(huán)氧樹脂粘接的FRP-混凝土組合橋面板進(jìn)行靜力加載試驗(yàn),探討不同連接方式對(duì)組合板破壞形態(tài)、承載力、變形、滑移等的影響.

        1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

        1.1 試件設(shè)計(jì)

        FRP-混凝土組合橋面板試件2個(gè),編號(hào)分別為DS-1和DS-2.其中,試件DS-1由現(xiàn)澆混凝土板、FRP開孔板連接件和FRP板復(fù)合而成,試件DS-2由預(yù)制加工的混凝土板、FRP板采用環(huán)氧樹脂連接而成.FRP板則由4塊尺寸為260 mm×160 mm×10 mm的FRP箱型板橫向拼接形成.試件明細(xì)見表1,試件施工情況如圖1所示.

        DS-1的成型過程為:在FRP開孔板上穿入直徑10 mm的橫向貫通GFRP筋,隨后澆注混凝土,F(xiàn)RP板和FRP開孔板之間采用膠粘劑連接,黏結(jié)面進(jìn)行打磨處理.DS-2的成型過程為:保持FRP板和混凝土板黏結(jié)面干燥、平整,然后涂膠,自然加壓,待樹脂固化完全后即可成型.

        表1 FRP-混凝土組合橋面板試件明細(xì)表

        圖1 試件施工圖

        混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50,配合比如下:P·II52.5水泥∶粉煤灰∶黃沙∶石子(5~25)∶高效外加劑∶水=370∶30∶655∶1 065∶4.44∶170.其立方體試塊抗壓強(qiáng)度為50.7 MPa,抗拉強(qiáng)度為 3.4 MPa,彈性模量為35.1 GPa.試驗(yàn)用FRP材料中,F(xiàn)RP板翼緣縱向抗拉強(qiáng)度實(shí)測(cè)值為585.9 MPa,彈性模量為41.4 GPa;FRP板腹板、FRP開孔板的抗剪強(qiáng)度實(shí)測(cè)值分別為297.1 MPa,103.5 MPa.FRP 筋 的 抗 拉 強(qiáng) 度 為664.0 MPa,彈性模量為 42.3 GPa.試件中所用的環(huán)氧樹脂配膠比為:6101環(huán)氧樹脂∶650聚酰胺樹脂=1∶0.8.

        1.2 加載方案

        試驗(yàn)采用1 000 kN液壓千斤頂通過分配梁對(duì)試件施加2點(diǎn)對(duì)稱荷載.正式試驗(yàn)開始前先進(jìn)行預(yù)加載,以檢驗(yàn)試驗(yàn)裝置的可靠性.荷載采用分級(jí)加載方式,每級(jí)荷載20 kN,直至試件破壞.每級(jí)荷載施加后觀察混凝土有無裂縫出現(xiàn)、有無纖維斷裂,并記錄裂縫發(fā)展過程.試驗(yàn)加載裝置如圖2所示.

        1.3 量測(cè)內(nèi)容

        主要量測(cè)內(nèi)容包括以下方面:①荷載及支座反力;②組合橋面板跨中撓度;③混凝土板裂縫發(fā)展情況;④跨中截面混凝土應(yīng)變和FRP板應(yīng)變;⑤FRP板與混凝土板的滑移.

        2 試驗(yàn)結(jié)果

        2.1 受力過程和破壞形態(tài)

        加載初期,F(xiàn)RP板和混凝土板共同工作,荷載-跨中撓度曲線呈線性,混凝土板未開裂.

        圖2 加載裝置

        當(dāng)荷載達(dá)到0.65倍極限荷載(Pu)時(shí),試件DS-1在純彎段的混凝土板底出現(xiàn)2條彎曲裂縫,裂縫寬度為0.02 mm.

        加載到241 kN,試件DS-1因FRP開孔板根部發(fā)生剪切破壞而失效,而采用環(huán)氧樹脂連接的試件DS-2在加載到290 kN時(shí),F(xiàn)RP板和混凝土板在黏結(jié)界面剝離,試件破壞.兩者破壞時(shí)均發(fā)出“啪”的聲響,撓度迅速增大.

        DS-1和DS-2連接界面破壞的典型形態(tài)如圖3所示.

        圖3 試件典型破壞形態(tài)

        2.2 應(yīng)變分析

        圖4和圖5分別為試件DS-1和DS-2的混凝土板頂、FRP板底荷載-應(yīng)變曲線.

        圖4 混凝土板頂荷載-應(yīng)變曲線

        圖5 FRP板底荷載-應(yīng)變曲線

        由圖4和5可知:

        1)在極限荷載下,試件DS-1和試件DS-2的混凝土板頂壓應(yīng)變分別為600 με和1 070 με,F(xiàn)RP板底拉應(yīng)變分別為630 με和2 390 με.需要說明,在相同荷載作用下,DS-2混凝土板頂壓應(yīng)變和FRP板底拉應(yīng)變均大于DS-1相同測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變,這是由于采用FRP開孔板連接件的DS-1滑移較大所致.

        2)由于試件破壞均發(fā)生在連接界面處,此時(shí)2個(gè)試件的混凝土板頂壓應(yīng)變和FRP板底拉應(yīng)變都遠(yuǎn)未達(dá)到相應(yīng)的極限應(yīng)變.

        3 主要試驗(yàn)結(jié)果分析

        3.1 荷載-跨中撓度曲線

        試件的荷載-跨中撓度曲線如圖6所示.

        由圖6可見,采用環(huán)氧樹脂連接的試件DS-2的荷載-跨中撓度曲線在整個(gè)加載過程表現(xiàn)為線性,剛度幾乎保持不變.而采用FRP開孔板連接的試件DS-1,荷載-跨中撓度曲線分為3個(gè)階段:

        圖6 荷載-跨中撓度曲線

        1)當(dāng)P<0.2Pu時(shí),該階段 DS-1的荷載 -跨中撓度曲線呈線性關(guān)系,且與DS-2的荷載-跨中撓度曲線基本重合.此時(shí),DS-1的滑移量很小,其對(duì)試件剛度的影響可以忽略.

        2)當(dāng)0.2Pu≤P <0.65Pu時(shí),隨著滑移量的增加,DS-1的荷載-跨中撓度曲線雖然仍大致滿足線性關(guān)系,但剛度略有降低,約為第一階段剛度的95%.

        3)當(dāng)P≥0.65Pu時(shí),隨著滑移量進(jìn)一步增大,試件純彎段出現(xiàn)2條裂縫,裂縫寬度約為0.02 mm,此時(shí)剛度有所下降,相比第一階段約下降了20%.

        破壞時(shí),DS-1和 DS-2跨中撓度分別是38.9 mm和34.3 mm,約為跨度的1/123 和1/140.

        3.2 平截面假定

        根據(jù)FRP板側(cè)、混凝土板側(cè)應(yīng)變測(cè)試結(jié)果,跨中截面上沿截面高度的應(yīng)變分布如圖7所示.

        由圖7可見:試件DS-1在加載到0.2Pu之前符合平截面假定;荷載大于0.2Pu后,F(xiàn)RP板和混凝土板的截面曲率相等但截面應(yīng)變分布曲線有錯(cuò)位.這表明試件的連接界面處產(chǎn)生了滑移;隨著滑移增大,曲線錯(cuò)位越來越明顯.

        試件DS-2的截面應(yīng)變分布幾乎為直線,符合平截面假定.

        3.3 荷載-滑移曲線

        試件DS-2在整個(gè)加載過程幾乎沒有滑移.當(dāng)達(dá)到極限荷載時(shí),F(xiàn)RP板和混凝土板之間突然發(fā)生剝離.圖8為試件DS-1的荷載-滑移曲線.

        可見,試件加載點(diǎn)的滑移量在整個(gè)加載過程均小于支座處的滑移量.極限荷載下加載點(diǎn)的滑移量為0.28 mm,支座處滑移則為0.54 mm.

        4 結(jié)語

        1)采用FRP開孔板連接件連接的試件DS-1和采用環(huán)氧樹脂連接的試件DS-2,其破壞均發(fā)生在連接界面上,破壞較突然.DS-1的破壞形態(tài)為FRP開孔板在根部發(fā)生剪切破壞,DS-2的FRP板和混凝土板在連接界面上發(fā)生了剝離.

        圖8 DS-1荷載-滑移曲線

        2)DS-1連接界面上的滑移量隨荷載逐漸加大,極限荷載下的滑移量為0.55 mm.試件DS-2整個(gè)加載過程幾乎沒有滑移.

        3)采用環(huán)氧樹脂連接的試件DS-2承載力(290 kN)高于采用FRP開孔板連接件連接的DS-1的承載力(241 kN).這是由于DS-1滑移量較大所致.

        4)DS-1的荷載-跨中撓度曲線分為3個(gè)階段:第一階段,荷載小于0.2Pu,此時(shí),荷載和跨中撓度呈線性;第二階段,當(dāng)荷載在0.2Pu~0.65Pu間時(shí),荷載-跨中撓度曲線仍基本呈線性,剛度略有降低,約為第一階段剛度的95%;第三階段,試件剛度有所降低,約為第一階段的80%.這是由于試件連接界面處的滑移量增加以及裂縫開展造成的.DS-2在整個(gè)加載過程剛度幾乎沒有降低.

        5)DS-1和DS-2在極限荷載下的跨中撓度分別是38.9 mm和34.3 mm,約為跨度的1/123和1/140.試件破壞時(shí)的變形較大,具有一定的征兆.與DS-2相比,DS-1的跨中極限撓度增加了約13.4%,這是由于滑移造成試件剛度降低所致.

        需要說明的是,文中試件的破壞均發(fā)生在連接界面處.為了提高其極限承載力,對(duì)DS-1而言,可采用增加開孔板的排數(shù)或增大開孔板厚度的方法,而對(duì)于DS-2則可采取提高膠粘劑的強(qiáng)度和保證施工質(zhì)量的方法.

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