翁日華 方成峰 劉興博 謝美婷 禹智濤
(1 江門市銀洲湖高速公路有限公司;2 廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院)
伸縮縫因其構(gòu)造簡單、使用方便等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于公路橋梁建設(shè)中。但伸縮縫不可避免地存在各種病害問題,如傳統(tǒng)橡膠伸縮縫可能存在橡膠老化、模數(shù)式伸縮裝置剛度不高,部件容易斷裂破壞等[1]?,F(xiàn)今越來越繁重的車輛荷載極易造成伸縮裝置的損壞,導(dǎo)致橋梁維修成本增加。據(jù)統(tǒng)計(jì),伸縮縫相關(guān)的維護(hù)費(fèi)用占了全球橋梁總維護(hù)費(fèi)用的7%~8%[2]。為此,近年來學(xué)者們對伸縮裝置展開了大量的研究,如屈曲約束形狀記憶金屬的智能伸縮縫[3]等新型伸縮裝置。而另外一些學(xué)者則開始轉(zhuǎn)向整體或半整體式橋梁、橋面連續(xù)簡支梁橋等無縫橋梁的研究,其中橋面連接板即是實(shí)現(xiàn)橋面無縫的較理想方式。
已有許多試驗(yàn)研究關(guān)注于使用ECC 橋面連接板代替?zhèn)鹘y(tǒng)伸縮縫,纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料(Engineered Cementitious Composite, ECC)是一種具有超高韌性、應(yīng)變硬化及多縫開裂特性的新型建筑材料。ECC 橋面板能夠通過自身變形吸收橋面的收縮和膨脹效應(yīng),能夠大幅提升結(jié)構(gòu)的疲勞和耐久性能,延長使用壽命。此外ECC 制備過程中常使用粉煤灰等工業(yè)副產(chǎn)品部分代替水泥,并可以根據(jù)結(jié)構(gòu)性能要求添加對應(yīng)材料[4],進(jìn)一步地提高了經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢并有較高的社會效益和環(huán)保價(jià)值。
在溫度升高的情況下,橋面連接板將受到極大的沿橋向壓縮荷載,這可能導(dǎo)致橋面連接板的壓碎破壞。因此,可通過降低橋面連接板剛度,使其變得更“軟”來提高吸收變形的能力。將高延性、低彈模得橡膠粉摻入傳統(tǒng)ECC 中,能達(dá)到這個(gè)目的。學(xué)者們本著合理利用廢舊橡膠和改善混凝土性能的目的,將橡膠粉摻入混凝土中制成高性能混凝土,并研究橡膠粉對混凝土力學(xué)性能的影響。Yu[5]等證實(shí)了,橡膠粉加入ECC中,會降低基體斷裂韌性,激活更多微裂縫,限制裂縫寬度,提升ECC 的自愈合能力。Adesina[6]等發(fā)現(xiàn),含橡膠粉的ECC擁有更低的孔隙率、吸水率和氯離子滲透率,并且良好的延性和耐久性,非常適合使用于橋面連接板。Zhang[7]等試驗(yàn)表明,橡膠改性ECC 有很好的抗沖擊性能,這對于頻繁承受車輛沖擊的橋面連接板尤為重要。在大量橡膠改性ECC 的應(yīng)用研究中,將其應(yīng)用于橋面連接板的研究很少,而研究橡膠改性ECC 橋面連接板的抗拉性能更是罕見。
綜合考慮材料性能特點(diǎn)和實(shí)際應(yīng)用情況,采用粒徑為0.30mm(與石英砂粒徑一致)的橡膠粉等體積(體積分?jǐn)?shù)為10%)替代細(xì)骨料,分別制成一個(gè)橡膠改性ECC和普通ECC 橋面連接板試件研究它們在軸向荷載下的受拉性能,并評估其應(yīng)用價(jià)值。
配制ECC 和橡膠改性ECC 所用的材料:P·O52.5 級普通硅酸鹽水泥;高爐礦渣粉S105 級;F 類I 級粉煤灰;粒徑為0.3mm 左右的石英砂;高強(qiáng)高模聚乙烯(PE)纖維,成品為束狀;粒徑為0.3mm 的橡膠粉,廢舊輪胎回收、破碎并篩選所得;濃度40%聚羧酸高效減水劑。PE纖維及橡膠如圖1 所示,橡膠改性ECC 和普通ECC 配合比如表1所示。
圖1 試驗(yàn)材料:PE纖維及橡膠
試驗(yàn)采用的玻璃纖維增強(qiáng)塑料GFRP 筋材料性能如下:直徑10mm,彈性模量5.0×104MPa,極限張拉強(qiáng)度1200MPa,極限拉應(yīng)變2.1%。選用GFRP 筋與ECC 制成橋面連接板的原因有:①GFRP 筋的具有較低的彈性模量,而普通鋼筋(HRB335 鋼筋的彈性模量約為206GPa)的彈性模量約為所制備ECC 的7.4 倍,GFRP 筋更接近的彈性模量有利于筋材與基體的協(xié)同變形;②剛度較大的筋材會使得連接板截面應(yīng)力較高,不利于ECC 多縫開裂性能的有效發(fā)揮;③ECC 多縫開裂的裂縫寬度均非常微小,但裂縫增多仍會帶來水汽滲透侵蝕的風(fēng)險(xiǎn),GFRP 筋有著普通鋼筋所不具備的抗銹蝕能力。綜合考慮各種因素,GFRP是非常合適用于ECC的筋材。
參照規(guī)范JGJ/T 70-2009[8],立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用邊長為100mm的立方體試件,通過DYE-3000型壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載。軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用直徑100mm、高200mm的圓柱體試件,通過MATSET材料壓縮試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載。彈性模量和泊松比按ASTM-C469 規(guī)范計(jì)算[9]??估瓘?qiáng)度試驗(yàn)采用JSCE CES82[10]推薦的330mm×60mm×13mm 狗骨頭試件,其中部受拉區(qū)尺寸為80mm×30mm×13mm,通過STS-100 微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)測試其拉伸性能。材料性能結(jié)果見表2。
表2 材料性能
從表2 中可以看出,與普通ECC 相比,橡膠改性ECC的基體強(qiáng)度稍有削弱,而壓縮彈性模量也隨之降低。在保證足夠的強(qiáng)度下,橡膠改性ECC 其低彈模的特點(diǎn)能夠更好的滿足橋面連接板壓縮變形的需要。隨著橡膠的加入,其狗骨頭試件的初裂強(qiáng)度也隨之下降。但在實(shí)際ECC橋面連接板應(yīng)用中,通常會配合FRP筋使用,初裂強(qiáng)度降低并不一定是缺點(diǎn),它可以使FRP 筋增強(qiáng)的ECC 橋面連接板基體更早的開裂。最終裂縫數(shù)量可能會增多,但是平均裂縫寬度將會更小,這能更好的發(fā)揮ECC 的多縫開裂特性,帶來更好的使用耐久性。
為了模擬實(shí)際使用情況中,ECC 橋面連接板的受溫度荷載時(shí)的軸向受力情況。試驗(yàn)各制作了一個(gè)橡膠改性ECC 和普通ECC 橋面連接板試件,尺寸和加載形式如圖2 所示。其中每塊連接板內(nèi)置三根FRP,每根FRP 筋之間間隔100mm。連接板每側(cè)通過4個(gè)螺栓固定于工字鋼上,千斤頂模擬溫度荷載產(chǎn)生的軸向應(yīng)力,工字鋼與千斤頂之間各墊著一塊鋼板。試件放于滾軸之上,ECC板兩側(cè)頂端裝有線性位移計(jì)用于測試連接板軸向拉伸位移。加載前,先施加10kN 的力消除系統(tǒng)誤差并頂緊千斤頂兩端的鋼板。然后以每級10kN 的速度加載,每級加載過程之間,采用裂縫觀測儀記錄裂縫產(chǎn)生的情況,直至試件破壞。
圖2 試驗(yàn)布置圖 (單位:mm)
ECC橋面連接板的拉應(yīng)力主要由FRP筋和基體纖維橋接作用共同承擔(dān),當(dāng)其任意截面的拉應(yīng)力超過初裂強(qiáng)度時(shí),該截面便會出現(xiàn)裂縫。由于纖維的作用,裂縫寬度開展到一定數(shù)值時(shí),便不再增大。隨著荷載繼續(xù)增大,裂縫數(shù)量不斷增加,裂縫之間的間距不斷減少。當(dāng)拉應(yīng)力達(dá)到極限應(yīng)力時(shí),最弱截面處的纖維被拉斷,裂縫形成通縫,拉應(yīng)力轉(zhuǎn)移到FRP 筋上。加載過程的具體現(xiàn)象如下:
⑴加載初期,試件受力和變形較小,連接板裂縫發(fā)展主要由ECC材料控制。此時(shí)采用橡膠改性ECC試件和采用普通ECC 試件裂縫發(fā)展均沒有明顯區(qū)別,初始裂縫出現(xiàn)的時(shí)間也幾乎一樣。
⑵加載中期,基體開裂后,纖維發(fā)生橋聯(lián)作用,限制裂縫寬度進(jìn)一步增大,最大裂縫寬度保持在較低的水平,試件裂縫數(shù)目穩(wěn)定增長,此階段為裂縫穩(wěn)定發(fā)展階段,兩個(gè)試件裂縫發(fā)展形態(tài)相似。隨著試件變形增大,F(xiàn)RP 筋對連接板受力的影響開始顯現(xiàn),隨著拉力增加,位移增速減小、裂縫發(fā)展變慢。
⑶加載后期,能聽到大量纖維斷裂的聲音,裂縫寬度變大。從裂縫中能看到部分纖維斷裂的現(xiàn)象,但未觀察到纖維抽出,這能說明PE纖維在普通ECC和橡膠改性ECC 中與基體結(jié)合較好,能夠充分發(fā)揮纖維的抗拉能力。當(dāng)荷載達(dá)到極限值,最弱斷面處的裂縫瞬間擴(kuò)大,F(xiàn)RP筋拉斷,試件斷裂。
此時(shí),普通ECC 和橡膠改性ECC 試件的其它微裂縫寬度都有稍微縮小,這是因?yàn)镋CC 特有的自愈性能,在纖維的橋接作用下,被拉伸的纖維將斷裂的基體“拉”到了一起。這是ECC 橋面連接板一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn),當(dāng)連接板發(fā)生破壞時(shí),裂縫寬度會收縮,降低因裂縫變寬產(chǎn)生的滲透侵蝕風(fēng)險(xiǎn)。
圖3 為試件的荷載-位移曲線。由于試件最終破壞承載力主要取決于內(nèi)部FRP 筋的極限承載力,結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果可知兩個(gè)試件所能承受的最大拉力相近。然而,在連接板使用過程中,應(yīng)該更關(guān)注其變形能力及耐久性。ECC 橋面連接板在受拉變形時(shí),會出現(xiàn)多而細(xì)的裂縫,而裂縫寬度是影響橋面連接板耐久性的重要因素。已有研究表明[11-12],裂縫寬度在0.1mm 以下時(shí),ECC 材料滲透系數(shù)較低,隨著裂縫寬度增加滲透系數(shù)增長緩慢,抗?jié)B性能優(yōu)異。
圖3 荷載-位移曲線
結(jié)合表3 試驗(yàn)結(jié)果,橡膠改性ECC 橋面連接板有更多的裂縫數(shù)量、更小的平均裂縫寬度、更小的最大裂縫寬度,這意味著其有更好的吸收變形能力。這是因?yàn)橄鹉z粉的加入,降低了基體的抗拉強(qiáng)度和過大的板內(nèi)力,使其有利于將拉應(yīng)力轉(zhuǎn)移到纖維承擔(dān),進(jìn)而更好發(fā)揮多縫開裂的特性。雖然看起來基體更“弱”不利于承受拉應(yīng)力,但是更好的延性才是發(fā)揮ECC特性的關(guān)鍵。
表3 試驗(yàn)結(jié)果
本章將以配筋類型為參數(shù),探討在橡膠改性ECC 中配置鋼筋與FRP 筋的受力變形特點(diǎn)。本章有限元使用通用有限元分析軟件ABAQUS 建立試驗(yàn)?zāi)P?,并通過有限元模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,驗(yàn)證所建立模型的有效性,然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。
3.1.1本構(gòu)關(guān)系
ECC 受拉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,參考袁方[13]等人提出的ECC受拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線簡化方法,利用表4的參數(shù)簡化為雙斜線模型,計(jì)算公式如圖4 所示。其中σtc、εtc、σtu、εtu分別為受拉初裂應(yīng)力、初裂應(yīng)變、極限應(yīng)力和極限極限應(yīng)變。ECC 受拉時(shí),纖維的橋連作用使得材料能繼續(xù)承受荷載,材料進(jìn)行強(qiáng)化階段,微裂縫發(fā)展,應(yīng)力隨應(yīng)變增大持續(xù)上升。
表4 筋材參數(shù)
圖4 各材料本構(gòu)模型示意圖
鋼筋采用完全彈塑性的雙直線模型,F(xiàn)RP 筋采用線彈性模型。各材料的本構(gòu)模型如圖4所示。
3.1.2模型建立
如圖5 所示,模型建立時(shí),工字鋼和連接板采用實(shí)體單元,本模型中工字鋼和螺栓并不是研究對象,故螺栓直接建立在工字鋼上,而內(nèi)置的FRP 筋和鋼筋則采用線單元。由于模型形狀比較規(guī)則,所有實(shí)體單元均采用六面體單元,單元類型為C3D8R,鋼筋和FRP筋單元類型為T3D2。鋼筋和FRP 與ECC 連接板之間的約束關(guān)系為Embedded,加載方案與原結(jié)構(gòu)保持一致。
圖5 有限元分析模型
3.1.3計(jì)算結(jié)果對比
根據(jù)計(jì)算結(jié)果畫出板兩端的荷載-位移曲線,利用有限元計(jì)算與試驗(yàn)的荷載位移曲線對比,如圖6 所示。從圖中可以看出,雖然實(shí)際材料參數(shù)與試驗(yàn)會有差別,但最大計(jì)算誤差在13%以內(nèi),曲線擬合度較好。有限元計(jì)算的到的荷載-位移曲線與試驗(yàn)曲線基本相同,所建立的有限元模型存在一定的合理性和可靠性,模擬結(jié)果具備參考意義。
圖6 整體荷載-位移曲線對比
在現(xiàn)有的FRP-ECC 連接板試件有限元模型中,將FRP 替換為剛度更大的鋼筋進(jìn)行參數(shù)分析。拉伸試驗(yàn)中連接板的應(yīng)變測量并不容易,而通過提取有限元應(yīng)力云圖,能直觀地反映結(jié)構(gòu)應(yīng)力。
結(jié)合圖7 可知,F(xiàn)RP 連接板的跨中Von-Mises 應(yīng)力要明顯低于鋼筋連接板。FRP 連接板跨中的Von-Mises應(yīng)力為6.08MPa,而鋼筋連接板為8.72MPa,兩者差異較大。由于鋼筋剛度與ECC 差異較大,而抗拉強(qiáng)度比FRP筋低,鋼筋在加載中屈服較快,不能與ECC 較好的協(xié)同破壞。這一系列因素也導(dǎo)致了配置鋼筋ECC 的連接板比配置FRP 的連接板應(yīng)力要大的多,這對ECC 板的受拉變形和多縫開裂特性是不利的。有限元模型分析證明,在相同配筋率和形式下,F(xiàn)RP 相比鋼筋更適用于ECC 連接板。
圖7 有限元模擬連接板最大主應(yīng)力云圖
⑴橡膠改性ECC 橋面板即使降低了一定的基體強(qiáng)度,但在配筋的作用下,最大抗拉承載力并無影響。反而因?yàn)橄鹉z的摻入,ECC 橋面連接板受拉時(shí)多縫開裂的現(xiàn)象更加明顯,初始裂縫更早出現(xiàn)、裂縫數(shù)量更多、裂縫寬度更小。這證明橡膠改性ECC 橋面連接板有更好的使用耐久性。
⑵試驗(yàn)結(jié)果和有限元模擬的結(jié)果吻合較好,能夠較好地反映連接板受力狀態(tài)
⑶FRP 筋比鋼筋更能配合橡膠改性ECC 抗拉。FRP筋能有效降低ECC 連接板內(nèi)應(yīng)力,發(fā)揮其多縫開裂的特性。