玄武岩纤维金属复合筋增强CRTSⅡ型轨道板的试验研究

冯照平,禹 雷

(1.国家网架及钢结构产品质量监督检验中心 ,南京 221000；2.中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

玄武岩纤维金属复合筋增强CRTSⅡ型轨道板的试验研究

冯照平1,禹 雷2

(1.国家网架及钢结构产品质量监督检验中心 ,南京 221000；2.中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

在高速铁路谐振式轨道电路的传输性能控制上,采用的绝缘处理方法会导致钢筋与混凝土的粘结力变低和钢筋网片的绝缘性能变差等问题,纤维金属复合筋为解决这一问题提供了有效途径。对玄武岩纤维金属复合筋(以下简称BFST)无砟轨道板开展数值模型模拟和静力试验研究工作。结果表明：数值模拟结果和试验结果较为相近,数值分析模型可靠, BFST筋轨道板具有较好的延性,满足承载力要求。

玄武岩纤维金属复合筋；无砟轨道板；数值模拟；静力试验

1 概述

CRTSⅡ型轨道板是双向受弯结构，且其纵横向均要承受正负弯矩，因此在轨道板中普通受力钢筋从底部到顶部共配置了4排，最外面2排钢筋为纵向布置，里面2排钢筋是横向布置，纵横向钢筋之间彼此垂直搭接固定形成网片。钢筋网片形成闭合的通电回路，列车驶过时闭合回路会产生电磁感应，对谐振式轨道电路产生干扰，控制列车信号的传输电路就会出现错误。目前解决此问题的方法主要有3种：一是在钢筋表面喷涂绝缘漆；二是在钢筋交错节点处布置绝缘卡子；三是在钢筋交错节点处布置热塑套管。有时3种方法组合使用。而这3种方法，不仅使得施工工序变得复杂，增加生产成本，而且降低钢筋和混凝土间的粘结能力，影响了结构的综合受力性能。将纤维金属复合筋用在上述无砟轨道板中，可较好地弥补普通钢筋的不足，纤维金属复合筋具有较好的防腐性能，能够解决普通钢筋在板开裂后容易锈蚀的问题，提高轨道系统的耐久性；同时纤维金属复合筋材又具有良好的绝缘性能，能从根本上解决筋材交错搭接处的绝缘问题，增加轨道系统的安全性。

2 纤维金属复合筋

纤维金属复合筋是由浸润树脂的连续纤维丝包裹缠绕在钢丝或钢筋外面经过磨具挤压成型制得(图1)，一般由3个物理相组成，即纤维相、基体相以及介于两者之间的界面相，三者的弹性模量不同。主要研究玄武岩纤维金属复合筋(以下简称BFST筋)用于CRTSⅡ型轨道板的力学性能研究。

图1 BFST筋挤拉成型工艺流程

BFST筋具有抗拉强度高、抗腐蚀性能好、质量轻、抗疲劳性能优良、电磁绝缘性好等优良特性而广泛用于土木工程和水利工程中，尤其是在沿海地区、港口工程、大跨度桥梁工程。同时也存在以下几个缺点：生产工艺复杂，技术要求严格，材料有离散性，造价比普通钢材高，弹性模量较低，抗剪强度较低，徐变作用较大。为了掌握BFST筋的特性，对其进行了相关性能的拉拔试验，试验如图2(a)所示，拉伸结果见表1。为了了解筋材与混凝土的粘结滑移情况，对筋材与混凝土又进行了相关粘结试验，试验如图2(b)和图2(c)所示，试验结果见图3。

图2 筋材试验

筋材名称直径/mm截面面积/mm2屈服强度/MPa极限强度/MPa弹性模量/GPa延伸率/%BFST筋850.3460550702.0520314.2460540862.0

图3 筋材粘结滑移对比图

根据上述粘结试验的滑移-应力曲线结果可以看出，纤维筋试件的滑移-应力曲线的残余段部分近似呈正弦曲线，钢筋试件滑移-应力曲线的残余段部分呈缓慢降低的趋势，整个曲线大致可以分为3个阶段，微滑移阶段，滑移阶段和下降段(拔出阶段)。由于BFST筋弹性模量较HRB500筋低，且螺旋肋与混凝土粘结性能较HRB500筋月牙肋好，因此在拉伸荷载作用下，HRB500筋斜率比BFST筋斜率较大。3组拉拔试件结果如表2所示。

从试验结果可以看出，BFST筋极限荷载和最大粘结力比HRB500筋较大，这种现象可以从筋材表面形状方面解释，由于纤维筋采用的是螺旋肋，肋突起的高度和与混凝土接触面积均比HRB500筋月牙肋好，因此纤维筋机械咬合力要大于HRB500筋。

表2 粘结试验结果

3 轨道板配筋

论文所研究的无砟轨道板依托于京沪高铁铺设的CRTSⅡ型轨道板，此种轨道板是单向部分施加预应力板，横向施加预应力，设计的要求是使用阶段不出现开裂现象，每一整块CRTSⅡ无砟轨道板包含20块轨下截面板，本次研究针对每块轨下截面板进行。轨下截面板的配筋见图4，板的中部为6根纵向预应力筋，上下各4根纵向非预应力受力筋，横向钢筋为8 mm HRB500构造筋，本次研究是在纵向预应力筋及横向钢筋不变的情况下，将板的上下各4根纵向非预应力受力筋设为文中的试验筋材，进行试验研究。

图4 轨下截面板配筋示意(单位：mm)

4 建模分析

根据构件涉及的材料本构关系、破坏准则及边界条件，运用大型有限元软件ANSYS对轨下截面板进行非线性有限元静力分析，建立轨道板有限元模型，对模型的应力、应变以及挠度等进行电算分析，进一步研究轨下截面板在静载作用下的弯曲机理以及破坏特征，验证有限元分析方法的可行性。轨下截面板混凝土采用SOLID65单元模拟，非预应力筋材和预应力钢筋均采用link8单元模拟。

本模型涉及的材料参数，根据上述材性力学试验数据以及相关文献规范，所取单元对应的具体参数值如表3、表4所示。

表3 C55混凝土材料参数

为更贴近实际情况，建模时将轨道板的承轨台建出，但由于承轨台造型不规则，几何曲线繁多，不易在ANSYS界面直接创建，解决方法是先在AutoCAD中按照轨道板承轨台的外形尺寸设计要求画出轨道板的纵断面图，然后转成SAT文件导出，再放到ANSYS工作目录文件夹下，随后打开ANSYS导入SAT文件，再根据轨道板的形状尺寸和划分要求进行分次拉伸，同时建立筋材模型，根据图3的实验曲线数据，对现有粘结-滑移本构关系模型进行修正，修正后的本构关系模型如图5所示，导入混凝土和各种筋材的本构关系，最后镜像生成完整模型。在约束和加载点附近部位的混凝土布置关闭压碎和开裂破坏开关，进而避免发生施加应力集中，使得局部混凝土提前破坏，导致计算不收敛，影响计算分析结果。模型见图6。

图6 模型示意

5 轨道板静力试验

图7 静力试验(单位：mm)

取BFST筋材轨道板两块和HRB500筋材轨下截面板一块，按照试验研究要求和《客运专线铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道混凝土轨道板暂行技术条件》实验说明进行静力试验，试验加载试验如图7所示，分别记录每个分级荷载下轨道板的挠度、应力应变、极限承载力及裂缝开展情况。

轨下截面试验板开裂弯矩、非预应力筋屈服弯矩、极限破坏弯矩、相应竖向位移以及其最终破坏模式如表5所示。

裂缝开展情况见图8，比较可得BFST筋轨下截面板的裂缝开展较HRB500筋轨下截面板分布更细密，这种差别的主要原因是BFST筋弹性模量较HRB500筋低，且螺旋肋与混凝土粘结性能较HRB500筋月牙肋好，BFST筋与混凝土共同工作的效果更好。

表5 轨下截面板弯矩位移及破坏模式

注：图中数字表示施加的荷载为该值(单位kN)时，裂缝开展到标注该数字的位置。图8 裂缝开展记录

由于篇幅有限，分别提取两种筋材轨道板在设计荷载工况下的应力应变、挠度变形以及极限承载力，并与试验值比较，受压区混凝土应变、开裂弯矩和极限弯矩的模拟值和试验值吻合较好，挠度的模拟值和试验值在加载比例达到0.9之前吻合较好，但之后加载比例达到1时试验板破坏，挠度突然变大，此时现场挠度测量不便控制，所以试验值与模拟值出现不吻合。将试验及模拟数据以表格的形式汇总如表6～表8所示。

表6 轨道板顶受压区混凝土应变模拟值和试验值对比 με

表7 轨道板跨中挠度模拟值和试验值对比 mm

表8 轨下截面板承载能力试验值和模拟值对比

将3块板的试验荷载位移曲线比较，绘制荷载位移如图9所示。

图9 荷载-位移曲线

从图9可以看出，采用纤维金属复合筋作为受拉主筋的轨下截面板试件，其荷载-挠度曲线上都有一个较为明显的拐点，该点所对应荷载为开裂荷载。当纤维筋金属复合筋板试件在混凝土开裂以后，试件的跨中挠度增加速度要明显大于混凝土开裂前，相对于纤维金属复合筋试验板，钢筋混凝土板试件虽有转折点，但是第二阶段曲线斜率相对较大，也即在第二阶段其挠度变化幅度要小于纤维金属复合筋试验构件。这是由于混凝土开裂，板底部混凝土退出工作，板底部主要由受拉主筋承担拉应力，而试验所用的纤维金属复合筋弹性模量要小于HRB500钢筋的弹性模量，所以纤维金属复合筋试验板试件的弯曲变形更为明显，曲线斜率相对较小，挠度也就增加得较快。

6 结论

通过上述论述和试验数据对比可知，BFST筋具有良好的力学性能，能够很好地和混凝土共同工作，BFST筋增强CRTSII型轨道板的理论模拟值与试验值吻合较好，所建立的模型分析结果具有参考价值。虽然和HRB500筋板比较，BFST筋板的挠度偏大，承载力略小，但仍能满足规范技术要求，故BFST纤维金属复合筋用于CRTSII型轨道板，不仅能解决普通钢筋闭合回路导致的谐振式轨道电路干扰问题，而且能够满足轨下截面板结构受力要求，计算分析结果可为无砟轨道技术系统提供可靠的参考。

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Study on the Test of the CRTSII Slab Reinforced with Basalt-fiber-steel-tendon

FENG Zhao-ping1, YU Lei2

(1.National Space Frame and Steel Structures Quality Supervision and Inspection Center, Nanjing 221000, China;2.China Railway Engineering Consulting Group Co., Ltd., Beijing 100055, China)

The insulation treatment to improve the resonant track circuit transmission performance on high-speed railway may lead to poor bond between steel and reinforced concrete. Using fiber steel tendon in ballastless track slab is effective to solve the problem. This paper focuses on the test of ballastless track slab with Basalt Fiber Steel Tendon (referred to as BFST) by means of numerical simulation and static testing. The results show that the results of numerical simulation and test are similar, the model of numerical analysis is reliable, The CRTSII slab reinforced with basalt-fiber-steel-tendon has good ductility, and the bearing capacity meets the requirements.

Reinforcement with fiber steel tendon； CRTSII slab； Numerical simulation； Static testing

2014-11-19；

2014-12-03

铁道部重大课题(2008G031-F)

冯照平(1986— )，男，工程师，硕士，E-mail：fengzhaoping 1986@163.com。

1004-2954(2015)08-0010-04

U213.2+42

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.08.002