1、 总第3 1 6期交 通 科 技S e r i a lN o.3 1 6 2 0 2 3第1期T r a n s p o r t a t i o nS c i e n c e&T e c h n o l o g yN o.1F e b.2 0 2 3D O I 1 0.3 9 6 3/j.i s s n.1 6 7 1-7 5 7 0.2 0 2 3.0 1.0 1 0收稿日期:2 0 2 2-0 9-1 4第一作者:吴宪锴(1 9 9 0-),女,工程师,硕士。*辽宁省交通科技项目(2 0 1 9 1 3)资助B F R P筋混凝土桥面板受弯性能研究*吴宪锴(辽宁省交通规划设计院有限责任公司
2、 沈阳 1 1 0 1 6 6)摘 要 为探究将B F R P筋引入到桥面板结构配筋中是否合理,分别设计相同配筋率下的普通钢筋配筋、B F R P筋配筋,以及普通钢筋和B F R P筋混合配筋的3组不同配筋形式的混凝土桥面板对比试件,对试件进行受弯性能试验研究。分析各组试件的开裂和极限荷载、裂缝开展、破坏模式、混凝土应变等。试验结果表明,同等条件下,B F R P筋混凝土桥面板较钢筋混凝土桥面板具有更大的挠度和裂缝宽度,应将挠度和缝宽作为B F R P筋混凝土结构正常使用状态下设计的重要控制指标,且含B F R P筋的混凝土桥面板结构更容易发生斜截面破坏,故该类结构应用时应加强抗剪设计。关键词
3、 混凝土桥面板 受力机理 受弯性能试验 B F R P筋 混合配筋中图分类号 U 4 4 1+.5 钢筋混凝土桥面板结构由于长期暴露在自然环境中,且需承受车辆荷载的反复作用,极易使混凝土产生损伤和裂缝,造成钢筋锈蚀及损伤,从而降低桥面结构的耐久性和行车舒适性。B F R P筋(玄武岩纤维复合筋)作为一种新型复合材料,与普通钢筋相比具有强度高、耐酸碱、耐腐蚀、密度轻、线膨胀系数与混凝土相近、连续配筋免焊接等优点,且该复合材料取材天然具有较高的环境友好性,在 我 国 有 着 很 高 的 生 产 能 力。但 同 时B F R P筋的抗拉弹性模量仅为钢筋材料的1/51/4,且本构关系为线性,无屈服阶段
4、,属脆性破坏1。基于此,探究B F R P筋与普通钢筋在工程应用中的替换关系十分必要。国内外已有专家学者对B F R P配筋混凝土结构受力性能进行了研究,朱绍铁2通过试验研究不同配筋率与混凝土强度等级对梁体受弯性能的影响;荣天时3通过对B F R P筋梁体的抗弯性能与抗剪性能研究证实B F R P筋可以部分替代钢筋在建材中使用;孙朋永等4等通过有限元建模手段得出可以通过调整B F R P筋配筋量,达到用B F R P筋替代普通钢筋且不影响正常使用的目的;周玲珠等5-6通过试验研究了B F R P筋增强自密实(纤维)混凝土桥面板带受弯和冲切性能。目前,对于B F R P筋应用在混凝土梁体中的相关
5、研究较多,对B F R P筋和混合配筋的混凝土桥面板的受力研究较少,制约了这一高耐久性和低能耗材料在桥梁工程中的广泛应用。为了探究将B F R P筋引入到桥面板结构配筋中是否合适,拟设计3组不同配筋形式的混凝土桥面板试件,通过对结构试件进行弯曲试验,分析各组试件的开裂和极限荷载、裂缝开展、破坏模式、混凝土和筋材应变等,以对比B F R P筋与普通钢筋应用在桥面板中对结构性能的影响。1 试验方案1.1 试件设计和材料性能试验共设计了3片混凝土桥面板结构试件,分别为S D-1 6(横筋配C 1 6的钢筋)、B D-1 6(横筋配C 1 6的B F R P筋)、S B D-1 6(横筋C 1 6的钢
6、筋和B F R P筋交错混合布置)。模型取自某型钢混凝土组合桥梁相邻两纵向钢梁之间的桥面板段,其示意见图1。图1 选取桥面板段位置(尺寸单位:mm)横向取22 0 0 mm长,实际净跨径为19 0 0mm,纵向取10 0 0mm长,试件截面尺寸见图2,具体参数见表1。分别对混凝土进行立方体抗压试验,对直径1 6mm钢筋和B F R P筋进行拉伸试验,得到材料性能见表2、表3。1-横筋(横桥向配筋);2-纵筋(纵桥向配筋);3-勾筋。图2 桥面板配筋及尺寸(单位:mm)表1 试件基本参数梁编号尺寸/(mmm)混凝土强度等级横筋配筋及直径/mm纵筋配筋及直径/mmS D-1 6B D-1 6S B
7、 D-1 62.210.2 2C 4 0S 2 2C1 6B2 2C1 6S1 1C1 6+B1 1C1 6S1 0C1 6 注:S为普通钢筋;B为玄武岩纤维复合筋(B F R P筋)。表2 混凝土材料性能材料类型密度/(gc m-3)弹性模量/G P a泊松比2 8d抗压强度/MP aC 4 0混凝土2.53 2.50.24 5表3 筋材材料性能材料类型密度/(gc m-3)弹性模量/G P a泊松比屈服强度/MP a极限强度/MP a钢筋(1 6mm)7.82 1 00.34 0 05 4 0B F R P筋(1 6mm)2.15 00.27 5 01.2 测点布置和试验加载在试件板顶面纵
8、向居中沿横向每隔一定距离布置混凝土应变计,以测得板顶混凝土压应变情况;在板底跨中、加载点及两支座处各安装1个位移计,以测得结构的位移变化。具体测点布置位置见图3。图3 测点布置及加载图(单位:mm)桥面板加载采用四点弯曲加载方案,试件横向两端简支,加载装置采用10 0 0k N千斤顶,通过分配梁将力传递至试件。试验采用分级加载方式,荷载分级为开裂前每级1 0k N,开裂后每级3 0k N,每级加载完毕持荷5m i n记录试验数据。荷载通过与千斤顶相连的传感器量测,应变数据采用静态应变测试系统自动采集和记录。混凝土桥面板上部混凝土被压碎、斜裂缝发展过大或直接贯通试件被剪断时停止加载。2 试验现象
9、与数据分析2.1 试验现象分析试件S D-1 6,加载初期无裂缝,随荷载增加,受拉区混凝土应变逐渐接近极限拉应变,加载至1 2 0k N在板底跨中截面出现第一条裂缝,宽度约为0.1mm,而后从跨中向外侧不断有新裂缝出现,裂缝逐渐变宽且不断向上延伸,直至加载至4 8 0k N时,试件最终因跨中受压区混凝土压碎而破坏,为典型的钢筋混凝土“适筋梁”破坏特征。试件B D-1 6,加载至9 0k N时在跨中附近出现竖向裂缝,裂缝宽度为0.1 5mm。随着加载进行,自跨中向两侧不断有新的裂缝产生,裂缝逐渐加宽且向上延伸,加载至2 8 0k N时,在弯剪区段,出现1条较明显的斜向裂缝,斜裂缝自板底约四分点位
10、置向加载点附近扩展,扩展速度较快,加载至3 4 0k N时,该斜向裂缝自板底四分点与板顶加载点之间贯通,导致结构破坏。试件S B D-1 6,加载至1 1 0k N时,在跨中出现第一条裂缝,宽度为0.1mm。随着荷载增加加载至3 9 0k N时,在弯剪区段发展出1条较明显的斜向上扩展的裂缝,最终,加载至4 7 0k N时,斜裂缝贯通,发生斜截面破坏。桥面板破坏模式图见图4。由图4可见,在本次试验中,钢筋混凝土桥面板S D-1 6最终是由跨中顶 部 混 凝 土 被 压 碎 而 发 生 弯 曲 破 坏,而B F R P筋混凝土桥面板B D-1 6和混合配筋桥面板S B D-1 6最终都是由斜裂缝发
11、展到加载点处形成贯通裂缝,导致桥面板丧失承载力并发生剪压破坏。可见,筋材类型的变化可影响桥面板的破坏模式。这是因为相对于钢筋混凝土桥面板,含B F R P筋混凝土桥面板在受弯时挠度和裂缝宽度发展更快,且随荷载增加,B F R P筋会发生纤维磨损导致表面筋肋产生断裂,与混凝土之间的黏结失效,较难控制斜裂缝发展,使B F R P筋混凝土结构更容易发生斜截面破坏7。742 0 2 3年第1期吴宪锴:B F R P筋混凝土桥面板受弯性能研究图4 桥面板破坏模式图2.2 开裂和极限荷载B F R P筋混凝土桥面板的抗弯承载力计算参考G B5 0 6 0 8-2 0 1 0 纤维增强复核材料建设工程应用技
12、术规范8,抗剪承载力计算参考A n t o n i o等建议的抗剪承载力计算公式9,开裂荷载计算参考规范A C I4 4 0.1 R-1 5规范对F R P筋增强混凝土受弯构件开裂荷载的计算公式1 0,钢筋混凝土桥面板的抗弯、抗剪、开裂荷载计算则依据混凝土结构设计原理进行计算,计算方法见表4,计算结果见表5。表4 F R P筋混凝土结构开裂荷载和抗弯、抗剪承载力计算公式抗弯极限承载力抗剪极限承载力开裂荷载x=ft eAffebVu t=vu tfc tbdvu t=(1.0 7 2-0.0 1)c1d+0.0 3 6 =EfEc,=1.2-0.2,c1d=f1+1+2f()Mc r=0.6 2
13、fcIgyt表5 开裂荷载、极限荷载对比k N试件编号 开裂荷载Pc r 极限荷载Pu 计算值试验值计算值试验值S D-1 61 2 01 2 04 2 7(抗弯承载力)4 5 4(抗剪承载力)4 8 0B D-1 69 89 05 0 8(抗弯承载力)1 9 7(抗剪承载力)3 4 0S B D-1 61 1 04 7 0 由表5可见,B D-1 6较S D-1 6开裂荷载降低2 5%,极限荷载降低2 9%;S B D-1 6开裂荷载和极限荷载均较B D-1 6有所提高,与S D-1 6试验结果接近。计算发现,钢筋混凝土桥面板的抗弯极限承载力小于抗剪极限承载力,故最终为正截面破坏,而B F
14、R P筋混凝土桥面板的抗剪极限承载力小于抗弯极限承载力,发生的是斜截面破坏,试验结果与理论计算结果相符合。2.3 荷载-挠度曲线3组试件的荷载-挠度曲线对比见图5。图5 荷载-挠度曲线由图5可见,结构开裂前,各组试件荷载-挠度曲线基本重合,达到开裂荷载后逐渐出现分化。S D-1 6荷载-挠度曲线呈三折线形,开裂前挠度随荷载的增大呈线性增长,加载至开裂荷载后,结构刚度有所退化,当荷载继续增大至临近极限荷载时,荷载-挠度曲线趋于平缓发展;B D-1 6荷载-挠度曲线呈两折线形,开裂前为线性变化,达到开裂后挠度随荷载增加而快速增长,结构刚度退化严重,直至加载至极限荷载时结构发生突然破坏,未出现类似于
15、钢筋混凝土桥面板的屈服阶段,这是由于B F R P筋是一种脆性材料,不像钢筋屈服后仍具有较好的延性;S B D-1 6的荷载-挠度曲线介于S D-1 6与B D-1 6之间,变化过程更接近于钢筋混凝土桥面板变化特点,也为三折线形,由于2种筋材弹性模量相差较大,开裂初期主要由钢筋承受拉力,钢筋接近屈服后,后期拉力主要由B F R P筋承担,荷载-挠度曲线斜率与B D-1 6接近。比较而言,同等条件下,含B F R P筋混凝土桥面板较钢筋混凝土桥面板具有更大的挠度,应将挠度控制作为B F R P筋混凝土结构正常使用状态下设计的重要控制指标。2.4 混凝土应变分析图6为3组试件板顶跨中最大混凝土压应
16、变随荷载变化曲线,由于B D-1 6开裂后裂缝宽度和结构挠度均较大,刚度退化严重,使其开裂后的混凝土应变增长速度大于S D-1 6;S B D-1 6在开裂后钢筋仍发挥主要作用,结构刚度未迅速退化。图7为不同荷载等级作用下,桥面板板顶跨84吴宪锴:B F R P筋混凝土桥面板受弯性能研究2 0 2 3年第1期中最大混凝土压应变沿桥面板横向的分布情况,对比发现:S D-1 6加载到进入屈服阶段之前,沿横向各位置的最大混凝土压应变值均较小,且变化均匀,进入屈服阶段之后应变变化增幅较快;B D-1 6当加载至开裂荷载后,混凝土最大压应变有一处突变,之后随着荷载增加,各位置应变均匀增长;S B D-1 6开裂荷载后也出现一个小幅度的突变点,但是总体应变变化相对均匀。因为开裂后裂缝和挠度快速发展,结构刚度退化迅速,B F R P筋桥面板在开裂后板顶应变出现突变,这在工程中应该避免。图6 荷载-混凝土应变曲线图7 桥面板跨中最大混凝土压应变沿板带横向分布2.5 裂缝开展情况分析图8为各组试件最大裂缝宽度随荷载变化的曲线。图8 桥面板荷载-最大裂缝宽度曲线由图8可见,开裂初期S D-1 6最大裂缝宽