钢-混凝土开孔钢板-FRP筋连接结合部横向抗弯性能研究

2022-04-20张晓亮王曦宇

铁道建筑技术 2022年3期

张晓亮唐军王曦宇

(1.中铁建云南投资有限公司云南昆明 650000；2.中国铁建昆仑投资集团有限公司四川成都 610040)

1 引言

波形钢腹板PC组合刚构桥具有纵向刚度小、腹板不易开裂、降低预应力损失、外形美观等优异性能[1-2]。对于波形钢腹板-混凝土组合结构，连接件是保证两者协同工作的关键部位。双开孔钢板(T-PBL)连接件由开孔钢板和贯穿钢筋组成，具有承载力高、延性好、抗剪强度大、抗疲劳性能好、施工方便等优点[3-4]，是一种很有前景的连接件形式。目前开孔钢板连接件所采用的贯穿钢筋多为普通热轧型钢筋，在实际桥梁工程中会造成巨大的工程量。纤维增强聚合物(fiber reinforced polymer，简称FRP)筋是以纤维为增强体，树脂为基体形成的一种新型复合材料，其具有轻质高强、耐腐蚀、非磁性等优点，目前已被广泛运用于实际工程以改善结构构件性能，提高构件承载力，减轻构件质量，方便施工[5]，因此在PBL连接件中使用FRP筋作为贯穿筋材值得进行深入研究。

已有众多学者通过推出实验和有限元分析对T-PBL连接件的抗剪承载力及其影响因素进行了研究，赵唯坚等[6]利用有限元软件和控制参数法对影响T-PBL连接件抗剪承载力的因素进行了分析；杨勇等[7]利用推出实验对不同承压方式PBL连接件的承载力进行了研究，提出了考虑端部混凝土承压作用的PBL连接件抗剪承载力计算公式；朱伟庆等[8]根据已有试验和理论研究，提出了考虑侧向约束力的PBL连接件抗剪承载力公式；薛伟辰等[9]对PBL连接件进行了推出试验研究开孔板的开孔直径、混凝土强度等级、贯通钢筋的直径和数量对开孔板连接件承载力的影响。近几年，有学者将FRP材料应用于PBL连接件中，并通过试验研究得到了开孔板-FRP复合连接件的抗剪承载力计算方法，宋进劲[10]将 GFRP毡粘贴在开孔钢板的表面，把GFRP筋作为横向贯穿筋，制作了FRP/钢复合开孔板连接件进行推出实验，得到了FRP/钢复合开孔板连接件抗剪承载力计算公式和荷载-滑移曲线模型；刘嘉欣[11]则通过推出实验和ABAQUS有限元模拟对GFRP开孔板连接件的抗剪性能进行了研究，提出了GFRP开孔板连接件抗剪承载力和抗剪刚度的计算表达式。当前针对PBL连接件的纵向抗剪能力已开展了一系列研究，而对于波形钢腹板箱梁桥，由于波形钢腹板平面外弯曲刚度较大，对混凝土顶底板的连接部位产生较大约束，在荷载作用下连接部位会产生较大的横桥向角隅弯矩Mc，故连接部位需要具备足够的横向抗弯承载能力。

综上所述，目前关于开孔板-FRP筋复合连接件的研究较少，尤其是开孔板-FRP筋复合连接件在横向弯矩作用下力学性能的研究更少，因此，有必要对开孔板-FRP筋复合连接件的横向抗弯性能进行研究。为此，文中结合云南省地约科大桥实际工程设计了3个1∶1足尺波形钢腹板与混凝土顶板结合部构件，其连接件形式采用双开孔钢板连接件，并以不同的贯穿筋为研究变量，对开孔板-FRP筋复合连接件的横向抗弯性能进行探究。

2 试验概况

2.1 试件设计与制作

对于波形钢腹板箱梁桥，由于腹板横向刚度大于普通平钢板，因此顶板和腹板结合面位置存在较大的横向角隅弯矩Mws。如图1所示，该弯矩值近似等于腹板顶部面外弯矩。

图1 结合部横向弯矩

试验共设计了3个抗弯试件，分别为 S1、S2、S3，试件设计主要参考《波形钢腹板组合梁桥技术标准》(CJJ/T 272—2017)[12]以及云南省地约科桥，以不同的贯穿筋为研究变量，各试件的具体信息见表1。混凝土顶板尺寸为1 600 mm×1 220 mm×400 mm，内部布置两层钢筋网。试件具体尺寸见图2。

表1 试件参数

图2 试件尺寸

试件S1、S2、S3的连接件类型均采用T-PBL连接件，波形腹板为1 600型，厚度20 mm；开孔板厚度20 mm，高度为200 mm，开孔直径70 mm；贯穿筋类型分别为HRB400带肋钢筋、BFRP筋、GFRP筋，直径均为16 mm。

混凝土等级为C55，试件浇筑过程中混凝土采用商品混凝土，经28 d养护后测得尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的标准立方体试块，抗压强度为62.6 MPa。试件中钢板采用Q355C钢材。

2.2 试验加载与测试方案

针对混凝土顶板与腹板的结合部位置，在结合部处引入横向弯矩。混凝土顶板放置2根分配梁，悬臂端部放置分配梁，通过在加载梁端部施加竖向力来模拟偏载，使得混凝土顶板与波形钢腹板连接构造承受横向弯矩M。

试验采用高精度半自动拟静力伺服液压控制台试验机进行加载，试验机最大加载能力为150 t，加载行程为20 cm。试验加载装置如图3所示，根据《混凝土结构试验方法标准》(GB/T 50152—2012)[13]，本试验采用单调静力加载方式，试验开始前，先对试件进行预加载，以检查试验仪器、位移计等是否正常工作并对测试装置进行调零，同时消除试件与试验仪器之间的间隙。试验加载过程中采用分级加载方式，且每级荷载加载完成后持荷时间不少于10 min。试验中主要测试的内容有试验过程中施加的荷载、试件挠度、界面滑移量等，加载示意及测点布置见图4。

图3 试验加载装置

图4 测点布置

3 试件破坏特征

试件破坏形态如图5所示，试件S1、S2和S3的破坏形态大致相同:受拉侧底部混凝土被拉裂，同时与钢翼缘板之间发生较大的剥离，两开孔钢板之间的混凝土被压坏，出现较大裂缝。但各试件的破坏过程有所区别。

图5 试件破坏形态

试件S1的破坏过程可大致分为3个阶段:(1)加载初期，试件表面无明显变化，当加载至100 kN·m左右时，试件受压侧侧面跨中位置首先出现一条竖向裂缝，其发展较为缓慢，同时与开孔板垂直两侧面的开孔板端部位置出现一条斜裂缝，并迅速向混凝土顶面发展，但两条裂缝宽度均未发生明显增长，试件仍处于弹性阶段。(2)当加载至120 kN·m左右时，与开孔板垂直侧面的开孔位置处，出现一条斜裂缝，并迅速发展至受拉侧混凝土底部，其主要原因是贯穿钢筋直径较小，对混凝土裂缝发展的抑制作用较小，容易产生较大裂缝，且裂缝发展较为迅速；同时荷载随位移增长速度变慢，试件进入弹塑性阶段。(3)与开孔板垂直侧面的开孔位置处出现裂缝后，开孔板端部斜裂缝以及受压侧竖向裂缝发展缓慢，随着荷载进一步增大，开孔位置处的裂缝延伸至受拉侧混凝土底部后不断发展，裂缝宽度进一步增大，最终在受拉侧混凝土底面形成一条贯穿裂缝，同时，受压侧底部挠度迅速增加，荷载则基本不变，试件屈服。

试件S2和S3的破坏过程则大致分为2个阶段:(1)弹性阶段。在此阶段初期，荷载未达到开裂荷载，试件无明显变化，当加载至100 kN·m左右时，试件受压侧侧面跨中位置出现一条竖向裂缝，与试件S1的开裂荷载相近，这是由于钢翼缘板的约束作用，受压侧混凝土首先受力，两分配梁之间混凝土外表面受拉并达到极限拉应变开裂，混凝土开裂荷载主要受纵向配筋率影响，各试件纵向配筋率相同，故开裂荷载大致相同。(2)弹塑性阶段。随着荷载的进一步增大，同时荷载随位移增长速度逐渐变慢，荷载加载至130 kN·m左右时，开孔板垂直两侧面的开孔板端部及开孔位置处出现斜裂缝，同时受拉侧底部直板段位置对应混凝土被拉裂，伴随着明显噼啪声响，开孔位置处的斜裂缝出现后迅速发展至受拉侧混凝土底部，最终在受拉侧混凝土底面形成一条贯穿裂缝，荷载继续增加，裂缝宽度不断扩大，但试件未出现新的裂缝，直至试件达到极限承载力，混凝土顶板内部发出剧烈的纤维筋断裂声响，荷载值迅速下降，试件丧失承载力，属于明显的脆性破坏特征。这是因为与钢筋相比，FRP筋的本构关系为线弹性，没有屈服点，同时弹性模量也较低，所以其配筋结构在正常使用阶段具有较大的裂缝宽度，且呈现出脆性破坏特征。

4 试验结果分析

4.1 极限承载力

各试件极限承载力见表2，与贯穿筋为普通钢筋的试件S1相比，贯穿筋采用FRP筋的试件，无论是BFRP筋还是GFRP筋，试件的承载能力均有所下降。试件S2的极限承载力与试件S1相比下降了6.24%，试件S3的极限承载力与试件S1相比则下降了16.4%。其主要原因是，FRP筋具有较高的抗拉强度，但是相比于普通热轧钢筋，其抗剪能力较弱，在横向弯矩作用下，开孔钢板以及孔中的混凝土榫会挤压贯穿筋，导致孔中贯穿筋承受较大的横向剪力，而在拉力和剪切力的共同作用下，FRP筋承载能力下降，极易被破坏，因此与贯穿筋为普通钢筋的试件相比，贯穿筋为FRP筋的试件承载力较低。

表2 试件承载力对比

4.2 荷载-位移曲线

为了便于比较分析，各试件的荷载-位移曲线均在图6中表示。由试验结果以及图6可知，加载前期，各试件的荷载-位移曲线呈线性关系，试件处于弹性阶段，随着荷载的不断增大，试件表面开始出现裂缝，当与开孔板垂直的两侧面出现裂缝后，试件刚度开始下降，受压侧挠度增长速率相对增大。试件S1破坏时，其受压侧挠度为40.86 mm，试件S2、S3在破坏时的受压侧挠度分别为30.05 mm、33.62 mm，与试件S1相比挠度分别降低了26.46%、17.72%，由此可见，在横向弯矩作用下，贯穿筋采用FRP筋的试件与贯穿筋为同直径普通钢筋的试件相比，其承载能力及延性均有所下降。

通过比较图6中试件S2和S3的荷载-位移曲线可知，不同种类的FRP筋也会对结合部试件的横向抗弯性能产生影响。与试件S2相比，试件S3的承载力降低了10.85%，但相比于试件S2，试件S3破坏时的受压侧挠度增大了11.88%，由此可见，GFRP贯穿筋构件相比于BFRP贯穿筋构件承载能力有所降低，但其延性有所提高。