禹 雷 吳凱偉
(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)
目前我國(guó)高速鐵路大量無砟軌道板均采用高強(qiáng)鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼絲配筋形式,但該種無砟軌道板中普遍采用的絕緣處理方法導(dǎo)致鋼筋與混凝土黏結(jié)力差和絕緣性能差。提出使用一種可替代HRB500鋼筋的材料——纖維金屬?gòu)?fù)合筋(簡(jiǎn)稱FST)。該材料由外層樹脂浸潤(rùn)的纖維纏繞包裹內(nèi)部鋼絲,外部具有一定高度螺旋肋,且具有較好的類似塑料的化學(xué)穩(wěn)定性和耐腐蝕性,具有較好的耐久性和絕緣性能,使用該材料制作的纖維金屬?gòu)?fù)合筋無砟軌道板可以有效解決握裹力和絕緣性差等問題[1-5]。為對(duì)比分析纖維金屬?gòu)?fù)合筋和HRB500鋼筋與混凝土的黏結(jié)性能,選用直徑均為8 mm的玄武巖纖維金屬?gòu)?fù)合筋、玻璃纖維金屬?gòu)?fù)合筋和HRB500鋼筋埋入混凝土的立方體試塊中進(jìn)行拉拔試驗(yàn),對(duì)比研究混凝土與纖維金屬?gòu)?fù)合筋的黏結(jié)性能。
為充分對(duì)比研究纖維金屬?gòu)?fù)合筋在無砟軌道板內(nèi)部受力情況,課題組在專業(yè)軌道板預(yù)制工廠制作了2塊CRTSⅡ型板式無砟軌道板和若干纖維筋黏結(jié)錨固試塊,分別進(jìn)行了軌道板力學(xué)性能試驗(yàn)和黏結(jié)錨固試驗(yàn)。CRTSⅡ型軌道板內(nèi)橫向分別配置直徑8 mm的BFST(玄武巖纖維金屬?gòu)?fù)合筋)和GFST(玻璃纖維金屬?gòu)?fù)合筋),縱向繼續(xù)采用強(qiáng)度為HRB500級(jí)鋼筋,橫向配置10 mm螺旋肋預(yù)應(yīng)力鋼絲不變。軌道板制作養(yǎng)護(hù)完成后,依據(jù)試驗(yàn)方案沿軌道板橫向預(yù)裂縫進(jìn)行切割,形成若干寬度為650 mm的板,取其中3根板進(jìn)行軌道板跨中靜載力學(xué)性能試驗(yàn),用于對(duì)比分析纖維金屬?gòu)?fù)合筋軌道板受彎承載力。
目前國(guó)內(nèi)外纖維筋與混凝土的黏結(jié)性能試驗(yàn)一般參照鋼筋混凝土的黏結(jié)性能試驗(yàn)方法來設(shè)計(jì),常用的試驗(yàn)方法主要有三種:
①立方體中心抗拔試驗(yàn)方法,②板式試驗(yàn)方法,③對(duì)拉試驗(yàn)方法。本文依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB50152—2012)[3],采用立方體中心拔出試驗(yàn)裝置。FST筋放置在立方體的中心軸線上,在筋的伸出端施加拉力,通過承壓板將力傳至混凝土上?;炷猎噳K邊長(zhǎng)為150 mm的立方體,黏結(jié)段和無黏結(jié)段均取75 mm,其中無黏結(jié)段采用PVC塑料套管套在筋材外側(cè),以減小在拔出荷載作用下混凝土對(duì)加載端FST筋的局部擠壓作用,自由端總長(zhǎng)度為30 mm,剝?nèi)ツ┒?0 mm的外裹纖維露出鋼絲內(nèi)芯。采用50 t手持式液壓千斤頂進(jìn)行張拉,底部支座為自行焊接的厚鋼板支座,上端采用筋材拉伸專用錨固夾頭,試驗(yàn)裝置如圖1所示。
圖1 滑移測(cè)量加載裝置及示意
測(cè)量的內(nèi)容主要有:筋材的應(yīng)變,筋材自由端筋內(nèi)芯相對(duì)混凝土立方體的滑移量,加載端位移量及最終的荷載—位移曲線。因?yàn)槭遣捎猛慌紊a(chǎn)的筋材,所以其各自的力學(xué)性能參數(shù)和拉伸試驗(yàn)結(jié)果相同。為了更好模擬實(shí)際CRTSII型無砟軌道板中混凝土與筋材的黏結(jié)力,本次黏結(jié)滑移試驗(yàn)采用同等養(yǎng)護(hù)條件下的C55混凝土。表1為本次黏結(jié)滑移試驗(yàn)所采用的三種不同筋材材料力學(xué)性能對(duì)比。
表1 各種筋材材料力學(xué)性能
本次黏結(jié)拉伸試驗(yàn)中,假設(shè)黏結(jié)應(yīng)力沿筋材埋置深度均勻分布,三種筋材的黏結(jié)應(yīng)力和有效錨固長(zhǎng)度采用下列公式
式中,τ為筋材與混凝土的黏結(jié)應(yīng)力,d,l,lm,F(xiàn),σmax分別為筋材的有效直徑、有效黏結(jié)長(zhǎng)度、錨固長(zhǎng)度、試驗(yàn)所測(cè)有效拉力和極限拉伸應(yīng)力。
拉拔黏結(jié)試驗(yàn)測(cè)得三種筋材自由端滑移與黏結(jié)應(yīng)力之間關(guān)系曲線(如圖2~圖4所示),各三根試件。
圖2 BFST筋滑移-應(yīng)力曲線
圖3 GFST筋滑移-應(yīng)力曲線
圖4 HRB500筋滑移-應(yīng)力曲線
根據(jù)上述黏結(jié)試驗(yàn)的滑移—應(yīng)力曲線結(jié)果可以看出,纖維筋試件的滑移—應(yīng)力曲線的殘余段部分近似呈正弦曲線,鋼筋試件滑移—應(yīng)力曲線的殘余段部分呈緩慢降低的趨勢(shì)。整個(gè)曲線大致可以分為三個(gè)階段:微滑移階段,滑移階段和下降段(拔出階段)。微滑移階段即從0-0.2τ階段,此階段從開始加載到初始滑移,筋材與混凝土之間只有極其微小滑移,近似為0,可以等效為依靠化學(xué)吸附力抵抗拉拔力;滑移階段即0.3-1.0τ階段,隨著拉拔荷載不斷增大,滑移值不斷增大,呈現(xiàn)非線性關(guān)系,此時(shí)筋材與混凝土之間產(chǎn)生摩擦力和機(jī)械咬合力共同抵抗拉拔力,筋材與界面混凝土的機(jī)械咬合作用產(chǎn)生斜向作用力,不僅在筋材表面產(chǎn)生切向分力,并且產(chǎn)生沿徑向的環(huán)向分力,使黏結(jié)混凝土處于受拉狀態(tài),如果環(huán)向拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度,混凝土試件會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部和徑向微裂縫,當(dāng)發(fā)展至構(gòu)件表面,即形成自加載端至自由端的縱向劈裂裂縫;下降段,即拔出階段,隨著荷載進(jìn)一步增加,筋材與界面混凝土之間產(chǎn)生局部剪切破壞和相對(duì)滑移,筋材迅速滑出,黏結(jié)應(yīng)力急劇下降。
由于BFST筋和GFST筋彈性模量較HRB500筋低,且螺旋肋與混凝土黏結(jié)性能較HRB500筋月牙肋好,因此在拉伸荷載作用下,在三種筋材曲線圖滑移階段中,BFST筋和GFST筋斜率較為接近,HRB500筋斜率相對(duì)較大。三組拉拔試件結(jié)果如表2所示。
表2 黏結(jié)滑移試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比
從試驗(yàn)結(jié)果可以看出,BFST筋和GFST筋極限荷載和最大黏結(jié)力比HRB500筋均較大,這種現(xiàn)象可以從筋材表面形狀方面解釋,由于纖維筋采用的是螺旋肋,肋突起的高度和與混凝土接觸面積均比HRB500筋月牙肋好,因此纖維筋機(jī)械咬合力要大于HRB500筋。
基本錨固長(zhǎng)度實(shí)際上是筋材拉拔出現(xiàn)極限強(qiáng)度破壞時(shí)所需的最小埋深。根據(jù)筋材表面黏結(jié)力與其極限強(qiáng)度之間力的平衡關(guān)系可以建立如下方程
式中,ldb為基本錨固長(zhǎng)度;ffu筋材拉伸極限強(qiáng)度;τu界面黏結(jié)強(qiáng)度。
可以轉(zhuǎn)化為
目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)纖維筋黏結(jié)錨固長(zhǎng)度和黏結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究[6-12],提出了一系列建議公式,美國(guó)ACI委員會(huì)ACI440規(guī)范中對(duì)于纖維筋拔出破壞提出了一些具體公式
式中,K2為修正系數(shù),是常量,可以通過試驗(yàn)確定,其他參數(shù)同上。Ehsani,Saadatmanesh andTao(1996)通過GFRP筋的48根梁式和18根拔出試驗(yàn),建議K2為1/21.3;Tighiouart,Benmokrane and Gao(1998)通 過GFRP筋的45根梁式試驗(yàn),建議K2為1/5.6。對(duì)于拔出破壞而非混凝土劈裂破壞,Ehsani,Saadatmanesh,Tao(1996)和 Gao,Benmokrane,Tighiouart(1998)建議用下列等式(K3約2 850)
ACI440規(guī)范中對(duì)于純纖維筋拔出破壞錨固長(zhǎng)度推薦公式為
以上計(jì)算公式和參數(shù)均是基于純纖維筋的,對(duì)于本文中的纖維金屬?gòu)?fù)合筋黏結(jié)強(qiáng)度和錨固長(zhǎng)度計(jì)算公式需要進(jìn)行修正,根據(jù)拉拔黏結(jié)試驗(yàn)結(jié)果明顯要大于普通鋼筋和純纖維筋,因此對(duì)于黏結(jié)應(yīng)力系數(shù)K偏保守的取25.0,即
代入基本黏結(jié)錨固長(zhǎng)度公式,可得
(1)兩種纖維金屬?gòu)?fù)合筋試件的滑移—應(yīng)力曲線和HRB500筋試件類似,同樣分為三個(gè)階段,微滑移階段,滑移階段和下降段。
(2)兩種纖維金屬?gòu)?fù)合筋錨固拉伸極限荷載和最大黏結(jié)力均比HRB500筋較大,纖維金屬?gòu)?fù)合筋與混凝土黏結(jié)性能要優(yōu)于HRB500筋。
(3)建議在纖維金屬?gòu)?fù)合筋黏結(jié)強(qiáng)度和錨固長(zhǎng)度計(jì)算公式中黏結(jié)應(yīng)力系數(shù)K取偏保守的25.0。
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