BFRP筋混凝土桥面板受弯性能研究_吴宪锴.pdf

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 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 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,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 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 2fcIgyt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 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